اسرار مواد افزودنی برای پوشش های مبتنی بر آب

خلاصه:

1. عامل مرطوب کننده و پراکنده کننده

2. کف زدا

3. غلیظ کننده

4. افزودنی های تشکیل دهنده فیلم

5. عامل ضد خوردگی، ضد کپک و ضد جلبک

6. سایر مواد افزودنی

1 عامل مرطوب کننده و پخش کننده:

پوشش‌های مبتنی بر آب از آب به‌عنوان حلال یا محیط پراکندگی استفاده می‌کنند و آب دارای ثابت دی‌الکتریک زیادی است، بنابراین پوشش‌های مبتنی بر آب عمدتاً توسط دافعه الکترواستاتیکی زمانی که لایه دوگانه الکتریکی همپوشانی دارند، تثبیت می‌شوند. علاوه بر این، در سیستم پوشش مبتنی بر آب، اغلب پلیمرها و سورفکتانت های غیر یونی وجود دارد که روی سطح پرکننده رنگدانه جذب می شوند و مانع فضایی می شوند و پراکندگی را تثبیت می کنند. بنابراین، رنگ ها و امولسیون های مبتنی بر آب از طریق عمل مشترک دافعه الکترواستاتیک و مانع فضایی به نتایج پایداری دست می یابند. نقطه ضعف آن مقاومت الکترولیت ضعیف است، به ویژه برای الکترولیت های با قیمت بالا.

1.1 عامل مرطوب کننده

عوامل مرطوب کننده برای پوشش های موجود در آب به دو دسته آنیونی و غیر یونی تقسیم می شوند.

ترکیبی از عامل مرطوب کننده و عامل پخش کننده می تواند به نتایج ایده آل دست یابد. مقدار عامل مرطوب کننده عموماً چند در هزار است. اثر منفی آن کف کردن و کاهش مقاومت فیلم پوششی در برابر آب است.

یکی از روندهای توسعه عوامل مرطوب کننده، جایگزینی تدریجی عوامل مرطوب کننده پلی اکسی اتیلن آلکیل (بنزن) فنل اتر (APEO یا APE) است، زیرا منجر به کاهش هورمون های مردانه در موش ها و تداخل با غدد درون ریز می شود. پلی اکسی اتیلن آلکیل (بنزن) فنل اترها به طور گسترده ای به عنوان امولسیفایر در طی پلیمریزاسیون امولسیونی استفاده می شود.

سورفکتانت های دوقلو نیز پیشرفت های جدیدی هستند. این دو مولکول آمفیفیلیک است که توسط یک فاصله دهنده به هم متصل شده اند. بارزترین ویژگی سورفکتانت‌های دو سلولی این است که غلظت بحرانی میسل (CMC) بیش از یک مرتبه قدر کمتر از سورفکتانت‌های تک سلولی آنها است و به دنبال آن راندمان بالایی دارد. مانند TEGO Twin 4000 یک سورفکتانت سیلوکسان دو سلولی است و دارای فوم ناپایدار و خاصیت ضد کف است.

شرکت Air Products سورفکتانت جمینی را تولید کرده است. سورفکتانت های سنتی دارای دم آبگریز و سر آب دوست هستند، اما این سورفکتانت جدید دارای دو گروه آبدوست و دو یا سه گروه آبگریز است که یک سورفکتانت چند منظوره است که به نام استیلن گلیکول شناخته می شود، محصولاتی مانند EnviroGem AD01.

1.2 پراکنده

دیسپرس کننده ها برای رنگ لاتکس به چهار دسته تقسیم می شوند: پخش کننده های فسفاته، پخش کننده های هموپلیمر پلی اسیدی، پخش کننده های کوپلیمر پلی اسیدی و سایر پخش کننده ها.

پرکاربردترین پخش کننده های فسفات پلی فسفات ها مانند هگزامتافسفات سدیم، پلی فسفات سدیم (Calgon N، محصول شرکت شیمیایی BK Giulini در آلمان)، تری پلی فسفات پتاسیم (KTPP) و تترا پتاسیم پیروفسفات (TKPP) هستند. مکانیسم عمل آن تثبیت دافعه الکترواستاتیکی از طریق پیوند هیدروژنی و جذب شیمیایی است. مزیت آن این است که دوز پایین، حدود 0.1٪ است و اثر پراکندگی خوبی بر روی رنگدانه های معدنی و پرکننده ها دارد. اما کمبودهایی نیز وجود دارد: یکی، همراه با افزایش مقدار pH و دما، پلی فسفات به راحتی هیدرولیز می شود، باعث پایداری ذخیره سازی طولانی مدت می شود. انحلال ناقص در محیط بر براقیت رنگ لاتکس براق تأثیر می گذارد.

پخش کننده های استر فسفات مخلوطی از مونو استرها، دی استرها، الکل های باقیمانده و اسید فسفریک هستند.

پخش‌کننده‌های استر فسفات، پراکندگی رنگدانه‌ها، از جمله رنگدانه‌های واکنش‌پذیر مانند اکسید روی را تثبیت می‌کنند. در فرمولاسیون رنگ براق، براقیت و تمیزی را بهبود می بخشد. بر خلاف سایر مواد افزودنی مرطوب کننده و پراکنده، افزودن پراکنده کننده های استر فسفات بر ویسکوزیته KU و ICI پوشش تأثیر نمی گذارد.

پخش کننده هموپلیمر پلی اسید، مانند تامول 1254 و تامول 850، تامول 850 هموپلیمر متاکریلیک اسید است. پخش کننده کوپلیمر پلی اسید، مانند Orotan 731A که کوپلیمری از دی ایزوبوتیلن و اسید مالئیک است. ویژگی های این دو نوع پراکنده این است که جذب یا لنگر قوی بر روی سطح رنگدانه ها و پرکننده ها ایجاد می کنند، دارای زنجیره های مولکولی طولانی تر برای ایجاد مانع فضایی، و حلالیت در آب در انتهای زنجیره هستند و برخی با دافعه الکترواستاتیکی تکمیل می شوند. دستیابی به نتایج پایدار برای اینکه ماده پراکنده قابلیت پخش خوبی داشته باشد، وزن مولکولی باید به شدت کنترل شود. اگر وزن مولکولی خیلی کوچک باشد، مانع فضایی کافی وجود نخواهد داشت. اگر وزن مولکولی بیش از حد بزرگ باشد، لخته سازی رخ می دهد. برای پخش کننده های پلی آکریلات، بهترین اثر پراکندگی را می توان در صورتی به دست آورد که درجه پلیمریزاسیون 12-18 باشد.

انواع دیگر پخش کننده ها مانند AMP-95 نام شیمیایی 2-آمینو-2-متیل-1-پروپانول دارند. گروه آمینه روی سطح ذرات معدنی جذب می شود و گروه هیدروکسیل به سمت آب گسترش می یابد که از طریق مانع فضایی نقش تثبیت کننده را ایفا می کند. به دلیل اندازه کوچک آن، مانع فضایی محدود است. AMP-95 عمدتاً یک تنظیم کننده pH است.

در سال های اخیر، تحقیقات بر روی پراکنده ها بر مشکل لخته سازی ناشی از وزن مولکولی بالا غلبه کرده است و توسعه وزن مولکولی بالا یکی از روندها است. به عنوان مثال، پراکنده با وزن مولکولی بالا EFKA-4580 تولید شده توسط پلیمریزاسیون امولسیونی به طور ویژه برای پوشش های صنعتی مبتنی بر آب، مناسب برای پراکندگی رنگدانه های آلی و معدنی است و دارای مقاومت خوبی در برابر آب است.

گروه های آمینه میل ترکیبی خوبی با بسیاری از رنگدانه ها از طریق پیوند اسید-باز یا هیدروژنی دارند. پخش کننده بلوک کوپلیمر با اسید آمینه آکریلیک به عنوان گروه لنگر مورد توجه قرار گرفته است.

پخش کننده با دی متیل آمینو اتیل متاکریلات به عنوان گروه لنگر

ماده افزودنی مرطوب کننده و پراکنده Tego Dispers 655 در رنگ های اتومبیل های آبدار نه تنها برای جهت دهی رنگدانه ها بلکه برای جلوگیری از واکنش پودر آلومینیوم با آب نیز استفاده می شود.

با توجه به نگرانی های زیست محیطی، عوامل مرطوب کننده و پراکنده زیست تخریب پذیر، مانند عوامل مرطوب کننده و پراکنده سلول دوقلو سری EnviroGem AE، که عوامل مرطوب کننده و پخش کننده کم کف هستند، توسعه یافته اند.

2 کف زدا:

انواع زیادی از کف زدای رنگ های مبتنی بر آب سنتی وجود دارد که به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند: کف زدای روغن معدنی، کف زدا پلی سیلوکسان و سایر کف زداها.

کف زدای روغن معدنی معمولاً عمدتاً در رنگ های لاتکس مسطح و نیمه براق استفاده می شود.

کف زدای پلی سیلوکسان دارای کشش سطحی کم، قابلیت کف زدایی و ضد کف قوی هستند و بر براقیت اثر نمی گذارند، اما در صورت استفاده نادرست، باعث ایجاد عیوب مانند جمع شدن لایه پوشش و قابلیت پوشش مجدد ضعیف می شوند.

کف زداهای سنتی بر پایه آب برای رسیدن به هدف کف زدایی با فاز آب ناسازگار هستند، بنابراین ایجاد عیوب سطحی در فیلم پوشش آسان است.

در سال های اخیر، کف زداهای سطح مولکولی توسعه یافته اند.

این ماده ضد کف پلیمری است که از پیوند مستقیم مواد فعال ضد کف بر روی ماده حامل تشکیل می شود. زنجیره مولکولی پلیمر دارای یک گروه هیدروکسیل مرطوب کننده است، ماده فعال کف زدایی در اطراف مولکول توزیع می شود، ماده فعال به راحتی جمع نمی شود و سازگاری با سیستم پوشش خوب است. چنین کف‌زدایی‌های سطح مولکولی شامل روغن‌های معدنی - سری FoamStar A10، حاوی سیلیکون - سری FoamStar A30 و پلیمرهای غیرسیلیکونی و غیر نفتی - سری FoamStar MF است.

همچنین گزارش شده است که این کف زدا در سطح مولکولی از پلیمرهای ستاره ای فوق پیوندی به عنوان سورفکتانت های ناسازگار استفاده می کند و نتایج خوبی در کاربردهای پوشش های مبتنی بر آب به دست آورده است. کف زدای درجه مولکولی Air Products که توسط Stout و همکاران گزارش شده است. یک عامل کنترل کننده کف مبتنی بر استیلن گلیکول و ضد کف با هر دو خاصیت مرطوب کنندگی مانند Surfynol MD 20 و Surfynol DF 37 است.

علاوه بر این، برای رفع نیازهای تولید پوشش‌های VOC صفر، کف‌زدای بدون VOC مانند Agitan 315، Agitan E 255 و ... نیز وجود دارد.

3 غلیظ کننده:

انواع مختلفی از ضخیم‌کننده‌ها وجود دارد که در حال حاضر معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرند، ضخیم‌کننده‌های اتر سلولزی و مشتقات آن، ضخیم‌کننده‌های متورم قلیایی (HASE) و ضخیم‌کننده‌های پلی‌اورتان (HEUR).

3.1. اتر سلولز و مشتقات آن

هیدروکسی اتیل سلولز (HEC) اولین بار به صورت صنعتی توسط شرکت یونیون کاربید در سال 1932 تولید شد و سابقه ای بیش از 70 سال دارد. در حال حاضر، ضخیم‌کننده‌های اتر سلولز و مشتقات آن عمدتاً شامل هیدروکسی اتیل سلولز (HEC)، متیل هیدروکسی اتیل سلولز (MHEC)، اتیل هیدروکسی اتیل سلولز (EHEC)، متیل هیدروکسی پروپیل سلولز پایه (MHPC)، متیل سلولز (MC) و زانتان است. و غیره، اینها ضخیم کننده های غیر یونی هستند و همچنین متعلق به ضخیم کننده های فاز آبی غیر مرتبط در میان آنها، HEC رایج ترین مورد استفاده در رنگ لاتکس است.

سلولز اصلاح‌شده هیدروفوبیک (HMHEC) مقدار کمی از گروه‌های آلکیل آبگریز با زنجیره بلند را بر روی ستون فقرات آبدوست سلولز معرفی می‌کند تا به یک غلیظ کننده مرتبط تبدیل شود، مانند Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100. اثر ضخیم کنندگی آن با ضخیم کننده های اتر سلولزی با وزن مولکولی بسیار بیشتر قابل مقایسه است. ویسکوزیته و تسطیح ICI را بهبود می بخشد و کشش سطحی را کاهش می دهد، مانند کشش سطحی HEC حدود 67 میلی نیوتن بر متر و کشش سطحی HMHEC 55-65 میلی نیوتن بر متر است.

3.2 ضخیم کننده قابل تورم قلیایی

ضخیم‌کننده‌های متورم‌پذیر قلیایی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شوند: ضخیم‌کننده‌های متورم‌پذیر قلیایی غیر انجمنی (ASE) و ضخیم‌کننده‌های متورم قلیایی انجمنی (HASE) که ضخیم‌کننده‌های آنیونی هستند. ASE غیر مرتبط یک امولسیون متورم قلیایی پلی آکریلات است. Associative HASE یک امولسیون متورم کننده قلیایی پلی آکریلات اصلاح شده آبگریز است.

3.3. ضخیم کننده پلی اورتان و ضخیم کننده غیر پلی اورتان اصلاح شده آبگریز

ضخیم کننده پلی اورتان، که به عنوان HEUR شناخته می شود، یک پلیمر محلول در آب پلی اورتان اتوکسیله اصلاح شده با گروه آبگریز است که متعلق به ضخیم کننده غیر یونی است. HEUR از سه بخش تشکیل شده است: گروه آبگریز، زنجیره آبدوست و گروه پلی اورتان. گروه آبگریز نقش ارتباطی ایفا می کند و عامل تعیین کننده برای ضخیم شدن است، معمولا اولیل، اکتادسیل، دودسیل فنیل، نونیل فنل، و غیره. زنجیره مولکولی HEUR توسط گروه های پلی اورتان مانند IPDI، TDI و HMDI گسترش می یابد. ویژگی ساختاری ضخیم کننده های انجمنی این است که توسط گروه های آبگریز خاتمه می یابند. با این حال، درجه جایگزینی گروه های آبگریز در هر دو انتهای برخی از HEUR های تجاری موجود کمتر از 0.9 است و بهترین آن تنها 1.7 است. شرایط واکنش باید به شدت کنترل شود تا یک غلیظ کننده پلی اورتان با توزیع وزن مولکولی باریک و عملکرد پایدار به دست آید. اکثر HEUR ها با پلیمریزاسیون گام به گام سنتز می شوند، بنابراین HEUR های تجاری موجود معمولاً مخلوطی از وزن های مولکولی وسیع هستند.

ریچی و همکاران از ضخیم‌کننده انجمن پیرن ردیاب فلورسنت (PAT، عدد میانگین وزن مولکولی 30000، وزن متوسط ​​وزن مولکولی 60000) استفاده کرد تا دریافت که در غلظت 0.02% (وزن)، درجه تجمع میسل Acrysol RM-825 و PAT حدود 6 بود. انرژی ارتباط بین غلیظ کننده و سطح ذرات لاتکس حدود 25 KJ/mol است. مساحت اشغال شده توسط هر مولکول غلیظ کننده PAT روی سطح ذرات لاتکس حدود 13 نانومتر مربع است که تقریباً مساحتی است که عامل مرطوب کننده Triton X-405 14 برابر 0.9 نانومتر مربع اشغال کرده است. ضخیم کننده پلی اورتان انجمنی مانند RM-2020NPR، DSX 1550 و غیره.

توسعه ضخیم‌کننده‌های پلی‌اورتان مرتبط با محیط‌زیست توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده است. به عنوان مثال، BYK-425 یک غلیظ کننده پلی یورتان اوره اصلاح شده بدون VOC و APEO است. Rheolate 210، Borchi Gel 0434، Tego ViscoPlus 3010، 3030 و 3060 هستند این یک غلیظ کننده پلی اورتان انجمنی بدون VOC و APEO است.

علاوه بر ضخیم‌کننده‌های پلی‌اورتان خطی که در بالا توضیح داده شد، ضخیم‌کننده‌های پلی‌اورتان انجمنی شانه‌مانند نیز وجود دارند. ضخیم کننده پلی اورتان به اصطلاح comb Association به این معنی است که یک گروه آبگریز آویز در وسط هر مولکول غلیظ کننده وجود دارد. ضخیم کننده هایی مانند SCT-200 و SCT-275 و غیره.

ضخیم کننده آمینوپلاست اصلاح شده آبگریز (ضخیم کننده آمینوپلاست اتوکسیله اصلاح شده آبگریز - HEAT) رزین آمینه ویژه را به چهار گروه آبگریز درپوش دار تغییر می دهد، اما واکنش پذیری این چهار محل واکنش متفاوت است. در افزودن معمولی گروه های آبگریز، تنها دو گروه آبگریز مسدود شده وجود دارد، بنابراین ضخیم کننده آمینو اصلاح شده آبگریز مصنوعی تفاوت چندانی با HEUR ندارد، مانند Optiflo H 500. اگر گروه های آبگریز بیشتری اضافه شوند، مثلاً تا 8 درصد. شرایط واکنش را می توان برای تولید غلیظ کننده های آمینه با گروه های آبگریز مسدود شده تنظیم کرد. البته این هم قوام دهنده شانه ای است. این غلیظ کننده آمینو اصلاح شده آبگریز می تواند از افت ویسکوزیته رنگ به دلیل افزودن مقدار زیادی سورفکتانت و حلال های گلیکول در هنگام اضافه شدن تطابق رنگ جلوگیری کند. دلیل آن این است که گروه های آبگریز قوی می توانند از دفع جلوگیری کنند و چندین گروه آبگریز ارتباط قوی دارند. ضخیم کننده هایی مانند Optiflo TVS.

ضخیم کننده پلی اتر اصلاح شده هیدروفوبیک (HMPE) عملکرد ضخیم کننده پلی اتر اصلاح شده آبگریز مشابه HEUR است و محصولات شامل Aquaflow NLS200، NLS210 و NHS300 هرکول هستند.

مکانیسم ضخیم شدن آن اثر پیوند هیدروژنی و ارتباط گروه های انتهایی است. در مقایسه با ضخیم کننده های رایج، خاصیت ضد ته نشینی و ضد افتادگی بهتری دارد. با توجه به قطبیت‌های مختلف گروه‌های انتهایی، ضخیم‌کننده‌های پلی اوره اصلاح‌شده را می‌توان به سه نوع تقسیم کرد: ضخیم‌کننده‌های پلی اوره با قطبیت پایین، ضخیم‌کننده‌های پلی اوره با قطبیت متوسط ​​و ضخیم‌کننده‌های پلی اوره با قطبیت بالا. دو مورد اول برای ضخیم‌کردن پوشش‌های مبتنی بر حلال استفاده می‌شوند، در حالی که ضخیم‌کننده‌های پلی اوره با قطبیت بالا می‌توانند هم برای پوشش‌های مبتنی بر حلال با قطبیت بالا و هم برای پوشش‌های مبتنی بر آب استفاده شوند. محصولات تجاری ضخیم کننده های پلی اوره با قطبیت کم، قطبیت متوسط ​​و قطبیت بالا به ترتیب BYK-411، BYK-410 و BYK-420 هستند.

دوغاب موم پلی آمید اصلاح شده یک افزودنی رئولوژیکی است که با وارد کردن گروه های آبدوست مانند PEG در زنجیره مولکولی موم آمید سنتز می شود. در حال حاضر برخی از برندها وارداتی هستند و عمدتاً برای تنظیم تیکسوتروپی سیستم و بهبود آنتی تیکسوتروپی استفاده می شوند. عملکرد ضد افتادگی