أسرار المواد المضافة للطلاءات القائمة على الماء

ملخص:

1. عامل الترطيب والتشتيت

2. مزيل الرغوة

3. مُكثِّف

4. إضافات تشكيل الفيلم

5. عامل مضاد للتآكل والعفن والطحالب

6. إضافات أخرى

1 عامل الترطيب والتشتيت:

تستخدم الطلاءات المائية الماء كمذيب أو وسط تشتت، وللماء ثابت عزل كهربائي كبير، لذا تُثبّت الطلاءات المائية أساسًا بفعل التنافر الكهروستاتيكي عند تداخل الطبقة الكهربائية المزدوجة. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي أنظمة الطلاء المائية على بوليمرات ومواد خافضة للتوتر السطحي غير أيونية، تُمتَزّ على سطح حشو الصبغة، مُشكّلةً عائقًا مكانيًا ومُثبّتةً التشتت. لذلك، تُحقّق الدهانات والمستحلبات المائية نتائج مستقرة من خلال العمل المشترك للتنافر الكهروستاتيكي والعائق المكاني. عيبها هو ضعف مقاومة الإلكتروليت، خاصةً في الإلكتروليتات باهظة الثمن.

1.1 عامل الترطيب

تنقسم عوامل الترطيب للطلاءات المائية إلى أنيونية وغير أيونية.

يمكن تحقيق نتائج مثالية من خلال الجمع بين عامل الترطيب وعامل التشتيت. عادةً ما تكون كمية عامل الترطيب قليلة في الألف. ومن آثاره السلبية الرغوة وتقليل مقاومة طبقة الطلاء للماء.

من اتجاهات تطوير عوامل الترطيب استبدال عوامل ترطيب بولي أوكسي إيثيلين ألكيل (بنزين) فينول إيثر (APEO أو APE) تدريجيًا، لأنها تُسبب انخفاضًا في الهرمونات الذكرية لدى الفئران وتؤثر على الغدد الصماء. تُستخدم إيثرات بولي أوكسي إيثيلين ألكيل (بنزين) فينول إيثر على نطاق واسع كمستحلبات أثناء بلمرة المستحلب.

المواد الخافضة للتوتر السطحي ثنائية الخلايا هي أيضًا تطورات جديدة. وهي عبارة عن جزيئين محبين للماء ومرتبطين بفاصل. الميزة الأبرز للمواد الخافضة للتوتر السطحي ثنائية الخلايا هي أن تركيز الميسيل الحرج (CMC) أقل بأكثر من مرتبة من تركيز المواد الخافضة للتوتر السطحي أحادية الخلية، متبوعًا بكفاءة عالية. مثل TEGO Twin 4000، فهو مادة خافضة للتوتر السطحي ثنائية الخلايا من السيلوكسان، ويتميز برغوة غير مستقرة وخصائص إزالة الرغوة.

طورت شركة إير برودكتس مواد خافضة للتوتر السطحي من نوع جيميني. تتميز المواد الخافضة للتوتر السطحي التقليدية بذيل كاره للماء ورأس محب للماء، لكن هذه المادة الجديدة تحتوي على مجموعتين محبتين للماء ومجموعتين أو ثلاث مجموعات كارهة للماء، وهي مادة خافضة للتوتر السطحي متعددة الوظائف، تُعرف باسم جليكولات الأسيتيلين، وهي متوفرة في منتجات مثل EnviroGem AD01.

1.2 المشتت

تنقسم المشتتات لطلاء اللاتكس إلى أربع فئات: مشتتات الفوسفات، مشتتات البوليمر المتجانس متعدد الأحماض، مشتتات البوليمر المشترك متعدد الأحماض والمشتتات الأخرى.

أكثر مُشتتات الفوسفات شيوعًا هي بوليفوسفات، مثل هيكساميتافوسفات الصوديوم، وبوليفوسفات الصوديوم (كالجون إن، منتج شركة بي كي جوليني الكيميائية في ألمانيا)، وثلاثي بوليفوسفات البوتاسيوم (KTPP)، وبيروفوسفات رباعي البوتاسيوم (TKPP). آلية عملها هي تثبيت التنافر الكهروستاتيكي من خلال الرابطة الهيدروجينية والامتصاص الكيميائي. ميزتها هي انخفاض جرعتها، حوالي 0.1%، وتأثيرها الجيد على الأصباغ والحشوات غير العضوية. إلا أن لها أيضًا عيوبًا: فبالإضافة إلى ارتفاع درجة الحموضة ودرجة الحرارة، يسهل تحلل بوليفوسفات، مما يُضعف استقراره عند التخزين طويل الأمد؛ كما أن عدم الذوبان الكامل في الوسط يؤثر على لمعان طلاء اللاتكس اللامع.

تعتبر مستحلبات إستر الفوسفات عبارة عن خليط من أحادي الإسترات، وثنائي الإسترات، والكحولات المتبقية، وحمض الفوسفوريك.

تُثبّت مُشتّتات إستر الفوسفات مُشتّتات الصبغات، بما في ذلك الصبغات التفاعلية مثل أكسيد الزنك. في تركيبات الطلاء اللامع، تُحسّن هذه المُشتّتات اللمعان وسهولة التنظيف. بخلاف مُضافات الترطيب والتشتيت الأخرى، لا تُؤثّر إضافة مُشتّتات إستر الفوسفات على لزوجة KU وICI للطلاء.

مُشتت بوليمر متجانس متعدد الأحماض، مثل تامول 1254 وتامول 850. تامول 850 هو بوليمر متجانس من حمض الميثاكريليك. مُشتت بوليمر مشترك متعدد الأحماض، مثل أوروتان 731A، وهو بوليمر مشترك من ثنائي إيزوبوتيلين وحمض الماليك. يتميز هذان النوعان من المُشتتات بقدرتهما على الامتزاز أو التثبيت القوي على سطح الأصباغ والحشوات، وامتلاكهما سلاسل جزيئية أطول تُشكل عائقًا مكانيًا، وذوبانًا في الماء عند أطراف السلسلة، وبعضها مُعزز بالتنافر الكهروستاتيكي لتحقيق نتائج مستقرة. لضمان قابلية تشتت جيدة للمُشتت، يجب التحكم بدقة في الوزن الجزيئي. إذا كان الوزن الجزيئي صغيرًا جدًا، فلن يكون هناك عائق مكاني كافٍ؛ وإذا كان كبيرًا جدًا، فسيحدث التجلط. بالنسبة لمشتتات البولي أكريلات، يمكن تحقيق أفضل تأثير تشتت إذا كانت درجة البلمرة 12-18.

أنواع أخرى من المشتتات، مثل AMP-95، تحمل اسمًا كيميائيًا هو 2-أمينو-2-ميثيل-1-بروبانول. تُمتَز المجموعة الأمينية على سطح الجسيمات غير العضوية، وتمتد مجموعة الهيدروكسيل إلى الماء، مما يلعب دورًا مُثَبِّتًا من خلال العائق الفراغي. ونظرًا لصغر حجمه، فإن العائق الفراغي يكون محدودًا. AMP-95 هو في الأساس مُنظِّم لدرجة الحموضة (pH).

في السنوات الأخيرة، تغلبت أبحاث المشتتات على مشكلة التكتل الناتج عن الوزن الجزيئي العالي، ويُعدّ تطوير هذه المشتتات أحد التوجهات الرائجة. على سبيل المثال، طُوّر المشتت عالي الوزن الجزيئي EFKA-4580، المُنتج بتقنية بلمرة المستحلب، خصيصًا للطلاءات الصناعية القائمة على الماء، وهو مناسب لتشتيت الصبغات العضوية وغير العضوية، ويتميز بمقاومته الجيدة للماء.

تتمتع المجموعات الأمينية بتقارب جيد مع العديد من الصبغات من خلال الرابطة الحمضية-القاعدية أو الهيدروجينية. وقد أُولي اهتمامٌ لمشتت البوليمر الكتلي مع حمض الأمينو أكريليك كمجموعة تثبيت.

مُشتت مع ثنائي ميثيل أمينو إيثيل ميثاكريلات كمجموعة تثبيت

يستخدم المضاف المبلل والمشتت Tego Dispers 655 في الدهانات المائية للسيارات ليس فقط لتوجيه الصبغات ولكن أيضًا لمنع مسحوق الألومنيوم من التفاعل مع الماء.

بسبب المخاوف البيئية، تم تطوير عوامل الترطيب والتشتت القابلة للتحلل البيولوجي، مثل عوامل الترطيب والتشتت ثنائية الخلية من سلسلة EnviroGem AE، وهي عوامل ترطيب وتشتت منخفضة الرغوة.

2 مزيل الرغوة:

هناك العديد من أنواع مزيلات الرغوة التقليدية القائمة على الماء، والتي تنقسم عمومًا إلى ثلاث فئات: مزيلات الرغوة بالزيوت المعدنية، ومزيلات الرغوة بالبولي سيلوكسان ومزيلات الرغوة الأخرى.

تُستخدم مزيلات الرغوة الزيتية المعدنية بشكل شائع، وخاصةً في الدهانات اللاتكسية المسطحة وشبه اللامعة.

تتمتع مزيلات الرغوة المصنوعة من البولي سيلوكسان بتوتر سطحي منخفض وقدرات قوية على إزالة الرغوة ومضادة الرغوة، ولا تؤثر على اللمعان، ولكن عند استخدامها بشكل غير صحيح، فإنها ستسبب عيوبًا مثل انكماش طبقة الطلاء وضعف إمكانية إعادة الطلاء.

إن مزيلات الرغوة التقليدية القائمة على الماء غير متوافقة مع مرحلة الماء لتحقيق غرض إزالة الرغوة، لذلك من السهل إنتاج عيوب سطحية في فيلم الطلاء.

في السنوات الأخيرة، تم تطوير مزيلات الرغوة على المستوى الجزيئي.

هذا المُزيل للرغوة عبارة عن بوليمر مُكوّن من تطعيم مُركّبات مُضادة للرغوة مباشرةً على المادة الحاملة. تحتوي السلسلة الجزيئية للبوليمر على مجموعة هيدروكسيل مُبللة، وتتوزع المادة المُزيلة للرغوة حول الجزيء، كما أنها لا تتجمع بسهولة، وتتميز بتوافقها الجيد مع نظام الطلاء. تشمل مُزيلات الرغوة الجزيئية هذه الزيوت المعدنية (سلسلة FoamStar A10)، والبوليمرات المحتوية على السيليكون (سلسلة FoamStar A30)، والبوليمرات غير المُحتوية على السيليكون وغير الزيتية (سلسلة FoamStar MF).

كما أُفيد بأن مزيل الرغوة الجزيئي هذا يستخدم بوليمرات نجمية فائقة التطعيم كمواد خافضة للتوتر السطحي غير متوافقة، وقد حقق نتائج جيدة في تطبيقات الطلاء المائي. مزيل الرغوة الجزيئي من إنتاج شركة Air Products، الذي أفاد به ستاوت وآخرون، هو عامل تحكم في الرغوة ومزيل رغوة قائم على الأسيتيلين جليكول، يتميز بخاصيتي الترطيب، مثل Surfynol MD 20 وSurfynol DF 37.

بالإضافة إلى ذلك، من أجل تلبية احتياجات إنتاج طلاءات خالية من المركبات العضوية المتطايرة، هناك أيضًا مزيلات رغوة خالية من المركبات العضوية المتطايرة، مثل Agitan 315، وAgitan E 255، وما إلى ذلك.

3 مكثفات:

هناك أنواع عديدة من المكثفات، وتستخدم بشكل شائع حاليًا مكثفات إيثر السليلوز ومشتقاته، ومكثفات القلويات الترابطية القابلة للانتفاخ (HASE) ومكثفات البولي يوريثين (HEUR).

3.1. إيثر السليلوز ومشتقاته

أُنتج هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC) صناعيًا لأول مرة بواسطة شركة يونيون كاربايد عام ١٩٣٢، ويمتد تاريخه لأكثر من ٧٠ عامًا. حاليًا، تشمل مُكثِّفات إيثر السليلوز ومشتقاته بشكل رئيسي هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC)، وميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (MHEC)، وإيثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (EHEC)، وميثيل هيدروكسي بروبيل بيس السليلوز (MHPC)، وميثيل السليلوز (MC)، وصمغ الزانثان، وغيرها. وهذه المُكثِّفات غير أيونية، وتنتمي أيضًا إلى مُكثِّفات الطور المائي غير المُرتبطة. ومن بينها، يُعد هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC) الأكثر استخدامًا في طلاء اللاتكس.

يُدخل السليلوز المعدل كارهًا للماء (HMHEC) كمية صغيرة من مجموعات ألكيل كارهة للماء طويلة السلسلة على الهيكل الأساسي المحب للماء للسليلوز، ليصبح مُكثِّفًا ارتباطيًا، مثل Natrosol Plus Grade 330 و331 وCellosize SG-100 وBermocoll EHM-100. يُضاهي تأثيره المُكثِّف تأثير مُكثِّف إيثر السليلوز ذي الوزن الجزيئي الأكبر بكثير. يُحسِّن هذا التأثير لزوجة وتسوية ICI، ويُخفِّض التوتر السطحي، حيث يبلغ التوتر السطحي لـ HEC حوالي 67 ملي نيوتن/متر، بينما يتراوح التوتر السطحي لـ HMHEC بين 55 و65 ملي نيوتن/متر.

3.2 مُكثِّف قابل للانتفاخ بالقلويات

تُقسّم المُكثّفات القابلة للانتفاخ القلوي إلى فئتين: مُكثّفات قابلة للانتفاخ القلوي غير الارتباطية (ASE) ومُكثّفات قابلة للانتفاخ القلوي الارتباطية (HASE)، وهي مُكثّفات أنيونية. مُكثّفات ASE غير الارتباطية هي مستحلب انتفاخ قلوي بولي أكريلات. أما مُكثّفات HASE الارتباطية فهي مستحلب انتفاخ قلوي بولي أكريلات مُعدّل كارهًا للماء.

3.3. مُكثِّف البولي يوريثان ومُكثِّف غير بولي يوريثان مُعَدَّل كارهًا للماء

مُكثِّف البولي يوريثان، المعروف اختصارًا بـ HEUR، هو بوليمر بولي يوريثان مُعَدَّل بمجموعة كارهة للماء، قابل للذوبان في الماء، وينتمي إلى مُكثِّف ارتباطي غير أيوني. يتكون HEUR من ثلاثة أجزاء: المجموعة الكارهة للماء، والسلسلة المُحبة للماء، ومجموعة البولي يوريثان. تلعب المجموعة الكارهة للماء دورًا ارتباطيًا، وهي العامل الحاسم في عملية التكثيف، وعادةً ما تكون أوليل، وأوكتاديسيل، ودوديسيل فينيل، ونونيل فينول، إلخ. تُوفر السلسلة المُحبة للماء استقرارًا كيميائيًا وثباتًا في اللزوجة، ويُستخدم عادةً البولي إيثرات، مثل بولي أوكسي إيثيلين ومشتقاته. تمتد السلسلة الجزيئية لـ HEUR بواسطة مجموعات بولي يوريثان، مثل IPDI وTDI وHMDI. السمة الهيكلية للمُكثِّف الارتباطي هي أنها تنتهي بمجموعات كارهة للماء. ومع ذلك، فإن درجة استبدال المجموعات الكارهة للماء في كلا طرفي بعض مُكثِّفات HEURs المتوفرة تجاريًا أقل من 0.9، وأفضلها 1.7 فقط. يجب التحكم بدقة في ظروف التفاعل للحصول على مُكثِّف بولي يوريثان ذي توزيع جزيئي ضيق وأداء مستقر. تُصنَّع معظم مُكثِّفات البولي يوريثان عالية الكثافة (HEURs) بطريقة البلمرة التدريجية، لذا فإن مُكثِّفات البولي يوريثان عالية الكثافة (HEURs) المتوفرة تجاريًا عادةً ما تكون خليطًا من أوزان جزيئية واسعة.

استخدم ريتشي وآخرون مُكثِّف ارتباط بيرين التتبع الفلوري (PAT، متوسط ​​عددي 30,000، متوسط ​​وزن جزيئي 60,000) ليجدوا أنه عند تركيز 0.02% (وزن)، كانت درجة تجمع الميسيل لكل من Acrysol RM-825 وPAT حوالي 6. تبلغ طاقة الارتباط بين المُكثِّف وسطح جسيمات اللاتكس حوالي 25 كيلوجول/مول؛ وتبلغ مساحة كل جزيء من مُكثِّف PAT على سطح جسيمات اللاتكس حوالي 13 نانومتر مربع، وهي مساحة تعادل مساحة عامل الترطيب Triton X-405، أي ما يعادل 14 ضعف مساحة 0.9 نانومتر مربع. مُكثِّف بولي يوريثان ارتباطي مثل RM-2020NPR وDSX 1550، إلخ.

حظي تطوير مُكثِّفات البولي يوريثان الترابطية الصديقة للبيئة باهتمام واسع النطاق. على سبيل المثال، يُعدّ BYK-425 مُكثِّف بولي يوريثان مُعدّل باليوريا خالٍ من المركبات العضوية المتطايرة (VOC) وAPEO. أما Rheolate 210، وBorchi Gel 0434، وTego ViscoPlus 3010، و3030، و3060، فهي مُكثِّفات بولي يوريثان ترابطية خالية من المركبات العضوية المتطايرة (VOC) وAPEO.

بالإضافة إلى مُكثِّفات البولي يوريثان الترابطية الخطية المذكورة أعلاه، توجد أيضًا مُكثِّفات بولي يوريثان ترابطية مشطية. يُشير ما يُسمى بمُكثِّف البولي يوريثان الترابطي المشطي إلى وجود مجموعة كارهة للماء مُعلقة في منتصف كل جزيء مُكثِّف. من هذه المُكثِّفات SCT-200 وSCT-275، إلخ.

يُحوّل مُكثّف الأمينوبلاست المُعدّل كارهًا للماء (مُكثّف الأمينوبلاست المُعدّل إيثوكسيليًا كارهًا للماء - HEAT) راتنج الأمينو الخاص إلى أربع مجموعات كارهة للماء مُغطاة، إلا أن تفاعلية مواقع التفاعل الأربعة هذه مختلفة. في الإضافة العادية للمجموعات الكارهة للماء، توجد مجموعتان كارهتان للماء مُسدودتان فقط، لذا لا يختلف مُكثّف الأمينو المُعدّل المُصنّع كارهًا للماء كثيرًا عن مُكثّف HEUR، مثل Optiflo H 500. عند إضافة المزيد من المجموعات الكارهة للماء، حتى 8% مثلًا، يُمكن تعديل ظروف التفاعل لإنتاج مُكثّفات أمينو ذات مجموعات كارهة للماء مُسدودة متعددة. بالطبع، هذا أيضًا مُكثّف مُشط. يُمكن لهذا المُكثّف الأمينو المُعدّل كارهًا للماء أن يمنع انخفاض لزوجة الطلاء بسبب إضافة كمية كبيرة من المواد الخافضة للتوتر السطحي ومذيبات الجليكول عند مطابقة اللون. والسبب هو أن المجموعات الكارهة للماء القوية يُمكن أن تمنع الامتزاز، وأن المجموعات الكارهة للماء المُتعددة لها ارتباط قوي. مثل مُكثّفات Optiflo TVS.

مثخن البولي إيثر المعدل الكاره للماء (HMPE) إن أداء مثخن البولي إيثر المعدل الكاره للماء مماثل لأداء HEUR، وتشمل المنتجات Aquaflow NLS200 وNLS210 وNHS300 من شركة Hercules.

آلية تكثيفه هي نتيجة الرابطة الهيدروجينية وارتباط المجموعات الطرفية. بالمقارنة مع المُكثِّفات الشائعة، يتميز بخصائص أفضل في مقاومة الترسيب والترهل. وفقًا لاختلاف أقطاب المجموعات الطرفية، يمكن تقسيم مُكثِّفات البولي يوريا المُعدّلة إلى ثلاثة أنواع: مُكثِّفات بولي يوريا منخفضة القطبية، ومُكثِّفات بولي يوريا متوسطة القطبية، ومُكثِّفات بولي يوريا عالية القطبية. يُستخدم النوعان الأولان لتكثيف الطلاءات القائمة على المذيبات، بينما تُستخدم مُكثِّفات البولي يوريا عالية القطبية لكلٍّ من الطلاءات القائمة على المذيبات عالية القطبية والطلاءات القائمة على الماء. المنتجات التجارية لمُكثِّفات البولي يوريا منخفضة القطبية، ومتوسطة القطبية، وعالية القطبية هي BYK-411، وBYK-410، وBYK-420 على التوالي.

ملاط شمع البولي أميد المُعدَّل هو مُضاف ريولوجي يُصنّع بإضافة مجموعات مُحبّة للماء، مثل PEG، إلى السلسلة الجزيئية لشمع الأميد. حاليًا، تُستورد بعض العلامات التجارية، وتُستخدم بشكل رئيسي لضبط اللزوجة (الثيكسوتروبيا) للنظام وتحسين خصائصه المضادة للتلطيخ. كما يتميز بأداء مضاد للترهل.