Målarfärgens vattengenomsläpplighet

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, kemisk bindning, vardagens kemi

Författare: Niklas Ståhlberg, Tobias Burman

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

   

Tid för förberedelse: 30 minuter

Tid för genomförande: 40 minuter

Antal tillfällen: 3

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Laborationen går ut på att testa vattengenomsläppligheten, förmågan att tåla väta, hos målarfärger med olika bindemedel.

Riktlinjer

Laborationen genomförs av elever som är indelade i grupper om 3-4 personer. Efter laborationen diskuterar eleverna och redovisar sina resultat.

Säkerhet

I laborationen ingår vissa material som kan vara farliga att inandas under en längre period (lösningsmedel) och direkt olämpliga att förtära. Skaderisken är dock minimal vid normalt bruk.

De farligaste kemikalierna i laborationen är:

• Lacknafta som är ett lösningsmedel, för rengöring av penslar.
• Vissa färger med organiska lösnings- och bindemedel, dvs sådana färger där man anger att penslarna ska rengöras i lacknafta eller thinner.

Lacknafta, som du kanske använder för rengöringen av penslarna, får inte hällas i slasken. Den skall lämnas in på en av ortens hänvisade miljöstationer.

Materiel

Material för en labgrupp:

• 2 st penslar
• Lacknafta
• Vatten
• Ett antal 15 cm långa träpinnar
• Plastmuggar
• Grön karamellfärg (innehåller oftast brilliantblått FCF (E133) och lutein (E161b))
• Flera färger med varianter av alkyd- eller akryllatexbindemdel
• 2 st glasburkar
• Förkläde eller laborationsrock
• Snöre
• Hammare och småspik
• Tidningspapper
• Kniv

Förarbete

Du måste förbereda experimentet några dagar i förväg.

• Köp målarfärger i närmaste färghandel. För önskvärt resultat bör man använda både färger med alkyd- ock akryllatexbindemedel.
• Förbered tillräckligt antal 15 centimeter långa pinna för de färger som ska testas.
• Ordna ett utrymme där färgerna får hänga på tork och ligga i vatten när du gör experimentet.

Tips: Fråga om färghandeln, eller någon annan, har gammal färg att ge bort gratis.

Utförande

Första tillfället: Målning

1. Börja laborationen med att skydda arbetsytorna med tidningspapper.
2. Förbered pinnarna genom att slå spik i ena änden av dem och fäst ett 30 centimeter långt snöre på spiken.
3. Numrera pinnarna i nummerordning i samma ände som spiken.
4. Fyll en glasburk med vatten och en med lacknafta för rengörning av penslarna under målningen.
5. Läs innehållsförteckningen på burkarna. Anteckna vilka färger som är akrylat- repektive alkydbaserade.
6. Måla en färg på varje pinne! Kom ihåg att notera vilken färg som målats på respektive pinne, se figur 1.
7. Häng pinnarna på tork i ett ventilerat utrymme.

Andra tillfället: Blötläggning

Färgerna måste ha torkat minst den tid som står angivet på burkarna innan du gör detta.

1. Fyll en tillräckligt stor burk med vatten.
2. Tillsätt karamellfärg så att vatten blir ordentligt färgat.
3. Ställ de målade pinnarna med den omålade och numrerade änden uppåt i det färgade vattenbadet. Viktigt här är att vattenytan inte överskrider den målade gränsen!
4. Blötlägg pinnarna i minst två dygn, eller till nästa arbetstillfälle.
5. Ställ tillbaka pinnarna i torkutrymmet.

Skriv ned några hypoteser om vilka färger som kan vara vattengenomsläppliga och varför. Använd färgburkarna, broschyrer, internet och annan litteratur för att söka information.

Tredje tillfället: Undersök resultatet

1. Tag upp pinnarna ur vattnet och torka försiktigt av dem med ett papper. Titta på ytan av pinnarna och notera eventuella förändringar.

   Bild: © Niklas Ståhlberg, Tobias Burman

2. Tag en kniv och skär bort färgen precis vid träytan, skrapa bort två centimeter färg på en sida som legat under vatten och på hela änden av pinnen (se figuren).
3. Tag en pinne och observera om den blivit grönfärgad och fuktig. Anteckna! Studera de övriga pinnarna på samma sätt.

Diskutera sedan orsakerna till färgernas olika vattengenomsläpplighet, för- och nackdelar med en vattengenomsläpplig färg.

Förklaring

Inomhusfärger som innehåller akryllatex är vattenspädbara, dvs de har ett bindemedel som är vattenlösligt. Helt logiskt så har dessa färger sämre motståndskraft mot vatten än färger som inte är vattenslösliga. Det gör i sin tur att de bara behöver utsättas för små mängder vatten under en begränsad tid för att de skall påverkas och förstöras.

Det som händer under laborationen är att de färger som har alkyd som bindemedel klarar sig opåverkade under samma fuktiga förhållanden som de vattenlösliga. Alkyden är ett bindemedel som är hydrofobt, dvs vattenavstötande. Vattenmolekylerna kan inte tränga in genom alkydfärglagren på träet eller in i träet.

Däremot påverkas och löses de vattenlösliga färgerna upp. Akryllatex, som är hydrofil, kan inte stoppa vattenmolekylerna från att tränga igenom. Konsekvenserna är att färgen blir bubblig, klibbig och seg, samt att träet under färglagret blir fuktigt och grönt av det färgade vattnet som tränger in.

Kemisk bakgrund

Målarfärger kommer alla någongång i vardagslivet i kontakt med. Antingen skall man måla om sitt hus eller så är det ett modellplan som skall få ett nytt utseende. Kommer man in i en färgaffär så upptäcker man ganska snart att det finns flera olika sorters kulörer av färger och framför allt en massa färger med olika bindemedel, beroende på vilket material som skall målas.

Bindemedel

När färgen har torkat är det mest bindemedel som återstår. Bindemedlet håller ihop pigmenten och ser till att färgen fäster vid underlaget. Det finns en lång rad bindemedel. De flesta av dem kommer från naturen, från jordskorpan eller från växt- och djurriket. Syntetiska alkyder, polyakrylat, polyvinylacetat och epoxi framställs av industrierna och tillverkas av petroleum. [1]

Bindemedlen i färger för trä som används av färgindustrin är i princip av två slag: dels alkyd, dels latex. Fördelarna med dem är att de har en förhållandevis lång livslängd och är tåliga. [2]

Alkyd

Alkydbaserade färger är syntetiskt framställda och kallas även alkydharts. På konstgjord väg framställer industrierna, genom olika processer, alkydharts ur mer lättillgängliga och ämnen som finns i naturen. Man utgår från tre komponenter, 1) polyoler, 2) anhydriderna till tvåvärda syror och 3) omättade fettsyror. Polyolerna och syrorna förestras till ett tredimensionellt nätverk av polyester. En viktig beståndsdel i bindemedel är den vegetabiliska oljan. [3]

Det finns hundratals möjliga utgångsämnen för syntesen, men de vanligaste polyolerna är glycerol och pentaerytritol. Den vanligaste anhydriden är ftalanhydrid (anhydriden till ftalsyra). Vanligaste fettsyran är linolsyra. [4]

Alkydmolekylen får i ett tredimensionellt perspektiv en symmetrisk struktur. Den opolära molekylen gör att vattenmolekylen, som är osymetrisk och polär, inte kan komma i kontakt med träet under färglagren, pga av alkydens hydrofoba egenskaper. När vattenmolekylerna kommer i kontakt med alkyden sker ingen kemisk reaktion, av den enkla anledningen att polära lösningsmedel ej kan lösa en opolär molekyl. Allt enligt den klassiska regeln:

Alkydbindemedel torkar och hårdnar genom att tvärbindningar uppstår mellan de omättade sidokedjorna som härrör från fettsyran i alkyden. [6]

Akryllatex

Bindemedlet akryllatex är vattenbaserat. Den är en färskvara som innehåller svampdödande gifter (fungicider). Den gör att färgen kan moststå svamp- och mögelangrepp. [1]

Det vattenbaserade bindemedlet består av en polymer av akrylat. Den är uppbyggd genom upprepade sammanlänkningar av monomeren akrylat, med det funktionella namnet propensyra (akrylsyra). Den uppkommer genom att flera propensyramolekyler reagerar med varandra i de funktionella grupperna. Dessa binds samman genom en kondensation, där vatten avges.

Polyakrylat har inte en symmetrisk sktrukturformel. Den är polär och kan därmed lösas i polära lösningsmedel. (Vetenskapens värld, 1989)

När vattenmolekylen kommer i kontakt med akryllatex så sker en återreaktion. Polymeren börjar att delas upp i monomerer igen eftersom det tillförs H₂O-molekyler till kolvätebindningarna.

Hos de akryllatexbaserade färgerna bildas en sammanhängande film vid vattenavdunstning. Denna torkning sker snabbt vid normala temperaturer, men störs vid temperaturer under 5 °C. Akryllatexbaserade färgerna har en längre livslängd än alkydbaserade, men de är känsligare mot vatten. [2]

Fördjupning