Экологически безопасные краски - здоровье всех и каждого

XVI  Поволжская научная конференция учащихся им. Н.И.Лобачевского

Секция: химия

Исследовательская работа

ЭКОЛОГИЧЕСКИ  БЕЗОПАСНЫЕ КРАСКИ – ЗДОРОВЬЕ ВСЕХ И КАЖДОГО

Садыкова Регина, 9 класс

Направляющая организация:

МБОУ «Гимназия п.г.т. Б. Сабы Сабинского района РТ »,  п.г.т. Б.Сабы

                                       Научный руководитель:

                                                           учитель I категории Галимова Э.И.

Казань 2015

Оглавление

Введение…………………………………………………………………….2

Основная часть

Область применения водно-дисперсионной краски………………….….3

Технологическая последовательность производства краски……………3

Материалы…………………………………………………………………  3

Экономическое обоснование…………………………………………… ..3

Контроль качества………………………………………………………….4

Заключение…………………………………………………………………6

Самооценка…………………………………………………………………7

Список использованной литературы……………………………………..7

Приложение………………………………………………………………...8

Введение

Основное место обитания человека должно быть безопасным. И всегда нужно заботиться об экологической безопасности своего окружения, - чтобы быть уверенными в безопасности здоровья своих родных и близких людей.

Тема нашей проектно-исследовательской работы «Экологически безопасные краски - здоровье  всех и каждого».

Актуальность этой темы в том, что проанализировав, сделали такие выводы: в народном хозяйстве, а особенно в строительстве, могут и должны широко применяться краски на полимерных связующих, растворителем в которых служит вода. Такие краски универсальны, долговечны, удобны в применении, а самое главное, в нашем «загрязненном» ХХI веке – они экологически чистые!

Сравним водно-дисперсионные краски с масляными и алкидными красками:

акриловые краски долговечнее. Они служат на фасадах от 10 до 30 лет в зависимости от климатических условий и качества подготовки поверхности. Для примера,  масляные служат 1,5 -3 года, алкидные - 3-5 лет;

экологичность красок. Акриловые краски не выделяют вредных веществ ни при нанесении, ни при эксплуатации; так как отсутствуют легколетучие органические растворители, а, следовательно, пожаро- и взрывобезопасные - как во время хранения и нанесения, так и во время эксплуатации; и малая токсичность самих красок.

Высокие эксплуатационные качества. Краски образуют газопроницаемые, водостойкие покрытия. Они легко моются, не накапливают грязь, связующее со временем не изменяет цвета.

Простота и удобство в работе. Краски высыхают за 30-60 минут при комнатной температуре и нормальной влажности, разводятся водой.

Инструменты и емкости легко отмываются теплой водой (до высыхания краски, после же высыхания сделать это достаточно проблематично).

Хорошая паропроницаемость, в результате чего окрашенная поверхность может «дышать».

Долговечность (5-20 лет при правильно организованной подготовке поверхности).

Доступность цен красок на акриловом связующем.

Нас заинтересовало, какие вещества входят в состав водно-дисперсионных красок. Но нигде не нашли конкретной рецептуры этого материала. И тогда нам пришла идея самим разработать рецептуру водно-дисперсионной краски, и конечно, мы обратились к нашей учительнице по химии, которая также у нас ведет внеклассные уроки.

Цель нашей работы – разработать рецептуру водно-дисперсионной экологически безопасной краски.

Проектным продуктом будет -  рецептура водно-дисперсионной краски, которая по качеству соответствует техническим требованиям

 ГОСТ Р 52020-2003 этих красок.

План нашей работы:

- выбор темы и уточнение названия;

- обнаружение цели нашей работы;

- сбор и обработка  информации  (изучение теории, литературы и специальных ГОСТов);

- нахождение сырьевой основы для проведения опыта (договориться с заводом в городе Казань ООО ПКФ «Восток-Сервис» по производству водно-дисперсионной краски, чтобы купить сырье в небольшом количестве);

- проведение опыта (разработка рецептуры краски на 1 килограмм и контроль качества готовой краски);

- выполнение расчётных работ;

- написание текстовой части;

- анализ проделанных работ.

 Область применения нашей водно-дисперсионной акриловой краски весьма широка:

как интерьерная краска, выдерживающая сухую и влажную уборку;

для фасадной покраски;

для асбестоцементных изделий;

покраска металла (как по черным, так и по оцинкованным поверхностям, по алюминию и пр.);

 для автомобильной промышленности.

Технологическая последовательность производства краски

Взвесить компоненты, а также воду

Залить в тару воду

Включить магнитную мешалку

Загрузить остальные компоненты в определенной последовательности

Загрузить сухие компоненты

Мешать раствор в течение 1 часа (получить пасту)

Загрузить латекс

Мешать раствор до полного диспергирования, в течение 1 часа.

Материалы

Оказалось, водно-дисперсионная краска имеет сложный рецептурный состав.

Рецептура:

-латекс «Акранол-290» - 52%, жидкость белого цвета, водная дисперсия сополимера с концентрацией 50% на основе N-бутилкрилата и стирола;

-паста - 48% (так будем называть ту массу, в которую входят все ингредиенты кроме латекса). В таблице 1 описан состав пасты.

Таблица 1. Состав пасты

Название	Назначение, описание	Содержание, %	Место сбыта сырья
1.Вода	Растворитель	36,25%	Сабинский район
2.ОП-10	масло подобная жидкость или паста от светло-жёлтого до светло-коричневого света. Применяется в качестве смачивателя и стабилизатора	1,85%	Г.Казань, ТД «АкваХим»
3.Сульфориценат Е	прозрачная вязкая жидкость	0,8%
4.Бутилцеллозольф	бесцветная жидкость со слабым специфическим запахом	2,7%	Г.Казань ОАО»КазаньОргсинтез»
5.Уайт-спирит	технологическая добавка	2%	Г.Казань, ООО «Волоком»
6.Лузолван	сложный эфир, белая жидкость, трёх слабый.  Смеси дикарбоновых кислот и диизобутанола не содержит этилового спирта	2%
7.Пеногаситель F-50		0,6%
8.Талькон	Наполнитель	15%	Г.Старлетамак, ООО «Химитекс»
9.Диоксид титана	порошок белого цвета,  обладает высокими пигментными свойствами   светостойкостью,разбеливающей способностью,для укрывистости	27%	Г.Екатеринбург«Уралрегионхимреактив»
10.Фосфат цинка	пигмент, противостоящий против коррозии	11%	Г.Екатеринбург«Уралрегионхимреактив»
11.Сульфацелл-2	Загуститель, простой эфир целлюлозы	0,4%	Г.Владимир, ЗАО «Полицелл»
12.Нитрат натрия	белые кристаллы с сероватым или желтоватым оттенком	0,2%	г.Москва «РусХимСеть»
13.Бакцид	бактерицидный препарат,  по степени воздействия на организм человека опасный. В качестве присадки	0,2%	г.Иваново ОАО «ИвХимПром»
14. ФС-3	Антикоррозионная добавка	3%

Экономическое обоснование

Расчет материальных затрат на пасту приведен в таблице 2.

Таблица 2. Расчет материальных затрат на пасту

Название	Цена за килограмм, в рублях	Цена за массовую долю 1 кг пасты, в рублях
1.Вода	12	4,35
2.ОП-10	90	1,665
3.Сульфориценат Е	200	1,6
4.Бутилцеллозольф	91	2,457
5.Уайт-спирит	70	1,4
6.Лузолван	240	4,8
7.Пеногаситель F-50	150	0,9
8.Талькон	18	2,7
9.Диоксид титана	95	25,65
10.Фосфат цинка	100	11
11.Сульфацелл-2	50	0,2
12.Нитрит натрия	48	0,096
13.Бакцид	128	0,256
14.ФС-3	48	1,44
Итог: цена за 1 кг пасты		58,514

Расчет сырья за 1 кг водно-дисперсионной краски:

Стоимость 1 кг латекса «Акранол-290» - 45 руб., значит цена за 52% латекса (Ц_латекс):

Ц_латекс = (240 руб*0,52 кг)/ 1 кг = 23,4 руб.

Стоимость 1 кг пасты – у руб., значит цена за 48% пасты (Ц_пасты):

Ц_пасты = (58,514 руб.*0,48 кг)/ 1 кг = 28руб.

Итого цена 1 кг краски (Ц_краски):

Ц_краски = Ц_латекс + Ц_пасты =28+23,4=51,4руб.

      Для полноценного производства водно-дисперсионных красок нужно специальное оборудование, на котором необходимо изготавливать большие объемы красок (хотя бы от 50 кг в день). Поэтому рассчитывать полную себестоимость краски, куда входят расчет электроэнергии, стоимость самой работы нет смысла.

Контроль качества

Проведя опыты на контроль качества водно-дисперсионной краски, нам не удалось определить такие показатели как степень перетира, смываемость пленки, условная вязкость и морозостойкость, атмосферостойкость, в связи с отсутствием специального оборудования.

Таблица 3. Характеристика водно-дисперсионной краски

Наименование показателя	Значения по ГОСТу	Значения экспериментальные	Метод испыта-ния
1.Цвет	Должен находиться в пределах допускаемых отклонений, установленных образцами (эталонами) цвета «Картотеки» или утвержденными контрольными	Белый Соответствует	ГОСТ 29319,
2.Внешний вид покрытия	После высыхания ВДЛКМ должен образовывать однородную, без кратеров, пор и морщин поверхность	Соответствует	ГОСТ Р 52020-2003, П.9.3
3.Массовая доля нелетучих веществ, %, не менее	50	60,2	ГОСТ 17537, раздел 1
4.рН	6,5 - 9,5	7,09	ГОСТ Р 52020-2003, П.9.4
5.Время высыхания до степени 3 при температуре (20 ± 2) С, ч, не более	1	1	ГОСТ 19007
6.Стойкость к  статическому воздействию воды при температуре (20 ±2) °С, ч, не менее	12	12	По ГОСТ 9.403, метод А, и п.9.6 ГОСТ Р 52020-2003
7.Укрывистость высушенной пленки, г/м2,  не более	100	101	ГОСТ 8784

Метод оценки внешнего вида покрытия

Внешний вид покрытия определяют визуально при рассеянном дневном свете или искусственном дневном освещении на расстоянии около 0,3 м от испытуемого образца. При разногласиях оценку внешнего вида покрытия проводят при рассеянном дневном свете. Наша краска соответствует белому цвету.

Метод  определения  массовой  доли  летучих  и  нелетучих  веществ

Метод заключается  в нагревании  пробы  лакокрасочного материала при определенной температуре   в течение  заданного промежутка времени  или до достижения  постоянной массы и определения массовой  доли  летучих и нелетучих веществ по разности результатов взвешивания до и после нагревания.

Оборудование: шкаф сушильный с терморегулятором, обеспечивающим поддержание  требуемой температуры нагрева с погрешностью  не более 2 градусов, термометр с ценой деления  не более 2 градусов по ГОСТ 28498-90, секундомер, весы  учебные ВГУ-1, наибольшей предел взвешивания  200 грамм.

Проведение испытания:

В сушильном шкафу мы  устанавливали  необходимую температуру, равную 105 градусам.

Перед взвешиванием   алюминиевую  фольгу, выдерживали в  сушильном шкафу при температуре испытания в течение  не менее 10 минут.  Потом эту фольгу охладили до комнатной температуры и взвесили (масса равна 0,25 грамм).

Водно-дисперсионную краску тщательно размешали до однородной  консистенции, поместили  в фольгу и взвесили (масса равна 3,13грамм). После взвешивания краску распределили  тонким слоем по всей поверхности дна,  поместили её в сушильный шкаф  в горизонтальном положении и нагрели  в течение 1 часа.  Потом  вынули её  и  взвесили. Для того   чтобы  определить  есть  ли расхождение между результатами взвешивания,  поместили эту фольгу  опять в сушильный шкаф на 15 минут, вынули  и взвесили,  результат не изменился.

Обработка результатов .

 Массовую долю летучих (Х) и нелетучих (У) веществ в процентах вычисляют по формулам:

Х=((m1-m2)/m1)*100;

Y=(m2/m1)*100;

где m1 – масса испытуемого материала до нагревания, г;

       m2 – масса  испытуемого материала поле нагревания, г.

Х=((2,88-1,75)/2,88)*100=13,62%

У=(1,73/2,88)*100=60,2%

Метод определения укрывистости краски

Для определения укрывистости лакокрасочный материал разбавляют до рабочей вязкости. На стеклянную пластинку, подготовленную по ГОСТ 8832-76, разд.3, и взвешенную с точностью до четвертого десятичного знака, наносят один или два слоя лакокрасочного материала. Стеклянную пластинку с лакокрасочным материалом кладут на контрастную пластинку или шахматную доску и наблюдают при рассеянном дневном свете, просвечивают ли белые и черные поля. Если поля просвечивают, наносят на пластинку последовательно новые слои материала до тех пор, пока полностью не исчезнет разница между белыми и черными полями. После полного укрытия стеклянную пластинку взвешивают с точностью до четвертого десятичного знака, сушат и снова взвешивают. Перед взвешиванием и высушиванием удаляют потеки лакокрасочного материала с обратной стороны и с ребер пластинки. Каждый раз перед нанесением нового слоя лакокрасочный материал перемешивают. Пластинки размером 120х90 мм взвешивают с точностью до второго десятичного знака.  

Укрывистость высушенной пленки (), в г/м вычисляют по формуле
     

  

где  - масса неокрашенной стеклянной пластинки, г;
      - масса пластинки с высушенной пленкой, г;    
      - площадь стеклянной пластинки, мм.

D=(98,7 - 97,6)*1000000 / 90*120= 101 г/м²

    Определение pH краски

    Краску наливают в стакан вместимостью 50 см³, тщательно промытый дистиллированной водой, и определяют  pH. Новый стакан  необходимо предварительно  обработать  горячим раствором соляной кислоты, а затем тщательно промыть  дистиллированной водой.

За результат измерения pH краски принимают среднее арифметическое результатов двух параллельных определений, абсолютное расхождение между которыми не должно превышать допускаемое  расхождение, равное 0,1 pH.

Метод определения времени и высыхания до степени 3

Испытание заключается в определении времени высыхания лакокрасочного материала, необходимого для достижения им степени высыхания.

Для определения степени высыхания 3 при испытании на окрашенную пластинку помещают чистыми руками или пинцетом листок бумаги, взяв его за один из свободных уголков. На листок бумаги накладывают резиновую пластинку, на середину которой устанавливают гирю массой 200 грамм; через (60 ± 2) с снимают гирю и резиновую пластинку, а окрашенную пластинку с листком бумаги ребром свободно бросают с высоты 28 - 32 мм на деревянную поверхность. При этом листок бумаги не прилипает к пленке, степень высыхания 3 достигнута в течение 1 часа.

Метод испытаний на стойкость к статическому воздействию воды

        Образцами для испытаний являются окрашенные пластины из листовой стали марки 08кп размером 70х150 мм и толщиной 0,5-1,0 мм или стержни из горячекатаной стали.

 Аппаратура и материалы: эксикатор с крышкой, шкаф сушильный, обеспечивающий температуру с погрешностью ±2 °С, лупа с увеличением 4 или 10, термометр ртутный стеклянный с пределами измерения от 0 до 100 °С и ценой деления шкалы 1 °С бумага фильтровальная, пленка полиэтиленовая, вода дистиллированная уайт-спирит.
     Подготовка к испытаниям
     Пластины  для получения покрытий обезжиривают. Лакокрасочный материал наносят на обе стороны пластины. Края пластины на расстоянии 3-5 мм дополнительно защищают испытуемым лакокрасочным материалом. Окрашенные пластины или стержни сушат в вертикальном положении.
      Перед испытаниями покрытие горячей сушки (в сушильном шкафу) выдерживают - в течение суток.
        В эксикатор с жидкостью вертикально помещают окрашенные образцы 2/3 высоты или полностью так, чтобы расстояние между ними и до стенок эксикатора было не менее 10 мм, и закрывают крышкой. После испытаний образцы извлекают из жидкости и готовят к осмотру. После испытаний в воде образцы сушат фильтровальной бумагой без промывки. Изменение декоративных и защитных свойств покрытий определяют сравнением с контрольным образцом невооруженным глазом или с помощью лупы. Блеск покрытий определяют визуально.
      Состояние металла под покрытием определяют визуально после окончания испытаний, для этого осторожно снимают покрытие с пластины при помощи смывки и ланцета и определяют наличие коррозии.
     Испытание показало положительный результат – коррозии практически нет.

Заключение

Эта работа дала нам огромный толчок для дальнейшего развития. Мы в будущем хотим создать бизнес-план производства водно-дисперсионных красок. В городе Казань есть рабочие площадки как Технополис «Химград», инновационный технопарк «Идея», IT- ПАРК. Также в нашем поселке Богатые Сабы можно  арендовать производственную площадку для изготовления краски. Для запуска производства нам потребуется всего 50 квадратных метров, на которых необходимо иметь следующие помещения:

Склад тары и сухих компонентов (можно неотапливаемый, площадь от 10 м²).

Склад жидкостных компонентов и готовой продукции (температура не ниже +5С площадь от 10 м²).

Производственное помещение (температура не ниже +5С площадь от 20 м², наличие водопровода или накопительной емкости для воды, наличие канализации или отстойника для слива промывочных вод, наличие 380 В, вентиляция).

Разместить оборудование можно по следующей схеме:

1.Диссольвер;

2.Системы подачи жидкостных компонентов;

3.Аппарат фасовки.

 Схема производственной площадки краски:

 

Процесс производства краски

Разместить производство можно прямо на стройплощадке (под навесом), в гараже, в подсобных помещениях магазинов, т.е. практически в любых условиях. Так как планируем небольшие объемы краски, то можно взять Диссольвер ДС-50 компании Акварелла (80000р на сегодняшний день).

Потребуется 1 мастер,1 рабочий, 1 экономист и  бухгалтер.

Самооценка

В ходе выполнения проекта все разделы были выполнены в полном объёме. В заключение своей работы хотелось бы отметить, что выбранная мной тема интересна и актуальна. В ходе работы узнала, что не все краски токсичны и опасны, существуют экологически безопасные, качественные краски, которые  следует применять для украшения нашей жизни.

Поставленную перед собой цель достигли. Мной и учителем разработана технологическая карта изготовления водно-дисперсионной краски в бытовых условиях. Также наша краска отвечает всем гигиеническим, эстетическим и технологическим требованиям и изготовлена с небольшими финансовыми затратами.

Работа была сложная, но интересная. В целом мы удовлетворена своей деятельностью и надеюсь, что у этого проекта есть будущее!

Список использованной литературы

1.                     ГОСТ Р 52491-2005 Материалы лакокрасочные применяемые в строительстве. Ссылка:  http://www.infosait.ru/norma_doc/46/46828/

2.                     ГОСТ Р 52020-2003 Материалы лакокрасочные водно-дисперсионные. http://www.standartov.ru/norma_doc/11/11765/index.htm

3.                     ГОСТ 29319 Метод визуального сравнения цвета. http://www.docload.ru/Basesdoc/10/10578/index.htm

4.                     ГОСТ 19007-73 Материалы лакокрасочные. Методы определения времени и степени высыхании. http://files.stroyinf.ru/Data1/6/6358/

5.                     ГОСТ 17537-72 Материалы лакокрасочные. Методы определения массовой доли летучих и нелетучих, твердых и пленкообразующих веществ.

6.                     ГОСТ 8784-75 Материалы лакокрасочные. Методы определения укрывистости.

7.                     ГОСТ 8832-76 (ИСО 1514-84) Материалы лакокрасочные. Методы получения лакокрасочного покрытия для испытаний.

8.                     ГОСТ 9.403-80 Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Методы испытаний на стойкость к статическому воздействию жидкостей, метод А.

9.                     Водно-дисперсионные краски (с рецептурами). И.А. Толмачев, Н.А. Петренко.

10.                 Интернет-ресурсы

Приложение

Приготовление пасты

Определение  массовой  доли  летучих  и  нелетучих  веществ

Подготовка рН-метра и определение рН среды краски

Определение времени высыхания до степени 3

Определение укрывистости краски