أسرار الإضافات المستخدمة في الطلاءات المائية

ملخص:

1. عامل ترطيب وتشتيت

2. مزيل الرغوة

3. مُكثِّف

4. إضافات تشكيل الأغشية

5. عامل مضاد للتآكل، ومضاد للعفن، ومضاد للطحالب

6. إضافات أخرى

1- عامل ترطيب وتشتيت:

تستخدم الطلاءات المائية الماء كمذيب أو وسط تشتيت، ونظرًا لارتفاع ثابت العزل الكهربائي للماء، فإن استقرار هذه الطلاءات يعتمد بشكل أساسي على التنافر الكهروستاتيكي الناتج عن تداخل الطبقة المزدوجة الكهربائية. إضافةً إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي أنظمة الطلاء المائية على بوليمرات ومواد فعالة سطحية غير أيونية، تُمتص على سطح حشو الصبغة، مُشكلةً إعاقة فراغية تُساهم في استقرار التشتت. لذلك، تُحقق الدهانات والمستحلبات المائية نتائج مستقرة بفضل التأثير المشترك للتنافر الكهروستاتيكي والإعاقة الفراغية. أما عيبها فهو ضعف مقاومتها للإلكتروليتات، لا سيما الإلكتروليتات باهظة الثمن.

1.1 عامل الترطيب

تنقسم عوامل الترطيب المستخدمة في الطلاءات المائية إلى عوامل أنيونية وغير أيونية.

يمكن تحقيق نتائج مثالية من خلال الجمع بين عامل الترطيب وعامل التشتيت. عادةً ما تكون كمية عامل الترطيب بضعة أجزاء في الألف. أما آثاره السلبية فتتمثل في تكوين الرغوة وتقليل مقاومة طبقة الطلاء للماء.

يتمثل أحد اتجاهات تطوير عوامل الترطيب في الاستبدال التدريجي لعوامل الترطيب من نوع بولي أوكسي إيثيلين ألكيل (بنزين) فينول إيثر (APEO أو APE)، نظرًا لأنها تؤدي إلى انخفاض هرمونات الذكورة في الفئران وتؤثر سلبًا على الغدد الصماء. وتُستخدم بولي أوكسي إيثيلين ألكيل (بنزين) فينول إيثر على نطاق واسع كمستحلبات أثناء بلمرة المستحلبات.

تُعدّ المواد الخافضة للتوتر السطحي المزدوجة من التطورات الحديثة، وهي عبارة عن جزيئين أمفيباتيين مرتبطين بفاصل. أبرز ما يُميّز هذه المواد هو انخفاض تركيز المذيلات الحرج (CMC) فيها بأكثر من عشرة أضعاف مقارنةً بنظيراتها أحادية الخلية، فضلاً عن كفاءتها العالية. ومن الأمثلة على ذلك، مادة TEGO Twin 4000، وهي مادة خافضة للتوتر السطحي من نوع السيلوكسان ثنائية الخلية، وتتميز بقدرتها على تكوين رغوة غير مستقرة وإزالة الرغوة.

طورت شركة إير برودكتس مواد خافضة للتوتر السطحي من نوع جيميني. تحتوي المواد الخافضة للتوتر السطحي التقليدية على ذيل 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 أسيتيلين جليكولات، مثل منتجات إنفيروجيم AD01.

1.2 المشتت

تنقسم المواد المشتتة لطلاء اللاتكس إلى أربع فئات: المواد المشتتة للفوسفات، والمواد المشتتة للبوليمر المتجانس متعدد الأحماض، والمواد المشتتة للبوليمر المشترك متعدد الأحماض، والمواد المشتتة الأخرى.

أكثر مُشتتات الفوسفات استخدامًا هي متعددات الفوسفات، مثل سداسي ميتافوسفات الصوديوم، ومتعدد فوسفات الصوديوم (كالجون إن، منتج شركة بي كي جيليني الكيميائية في ألمانيا)، وثلاثي فوسفات البوتاسيوم (KTPP)، ورباعي فوسفات البوتاسيوم (TKPP). تعتمد آلية عملها على تثبيت التنافر الكهروستاتيكي من خلال الروابط الهيدروجينية والامتزاز الكيميائي. تتميز هذه المُشتتات بانخفاض جرعتها، حوالي 0.1%، وفعاليتها الجيدة في تشتيت الأصباغ غير العضوية والحشوات. إلا أنها لا تخلو من العيوب: أولًا، مع ارتفاع درجة الحموضة ودرجة الحرارة، تتحلل متعددات الفوسفات بسهولة، مما يُضعف استقرارها أثناء التخزين على المدى الطويل؛ ثانيًا، يؤثر عدم ذوبانها الكامل في الوسط على لمعان طلاء اللاتكس اللامع.

المشتتات الإسترية الفوسفاتية هي عبارة عن مخاليط من الإسترات الأحادية، والإسترات الثنائية، والكحولات المتبقية، وحمض الفوسفوريك.

تعمل مُشتتات إستر الفوسفات على تثبيت تشتتات الصبغات، بما في ذلك الصبغات التفاعلية مثل أكسيد الزنك. وفي تركيبات الطلاء اللامع، تُحسّن هذه المُشتتات اللمعان وسهولة التنظيف. وعلى عكس إضافات الترطيب والتشتيت الأخرى، لا تؤثر إضافة مُشتتات إستر الفوسفات على لزوجة الطلاء وفقًا لمعايير KU وICI.

المشتتات المتجانسة متعددة الأحماض، مثل تامول 1254 وتامول 850، حيث يُعد تامول 850 متجانسًا لحمض الميثاكريليك. أما المشتتات المشتركة متعددة الأحماض، مثل أوروتان 731A، فهي مشتركة بين ثنائي إيزوبوتيلين وحمض الماليك. تتميز هذه الأنواع من المشتتات بقدرتها على الامتزاز أو التثبيت القوي على سطح الأصباغ والحشوات، وامتلاكها سلاسل جزيئية أطول تُشكل إعاقة فراغية، بالإضافة إلى قابليتها للذوبان في الماء عند نهايات السلسلة، كما يُعزز بعضها التنافر الكهروستاتيكي لتحقيق نتائج مستقرة. ولضمان تشتت جيد للمشتت، يجب التحكم بدقة في الوزن الجزيئي. فإذا كان الوزن الجزيئي منخفضًا جدًا، ستكون الإعاقة الفراغية غير كافية؛ أما إذا كان مرتفعًا جدًا، فسيحدث تكتل. بالنسبة لمشتتات البولي أكريلات، يُمكن تحقيق أفضل تأثير تشتت عند درجة بلمرة تتراوح بين 12 و18.

تُعرف أنواع أخرى من المشتتات، مثل AMP-95، بالاسم الكيميائي 2-أمينو-2-ميثيل-1-بروبانول. تُمتص مجموعة الأمين على سطح الجسيمات غير العضوية، بينما تمتد مجموعة الهيدروكسيل إلى الماء، مما يُسهم في استقرارها من خلال الإعاقة الفراغية. ونظرًا لصغر حجمها، فإن الإعاقة الفراغية محدودة. يُعد AMP-95 منظمًا لدرجة الحموضة بشكل أساسي.

في السنوات الأخيرة، تغلبت الأبحاث المتعلقة بالمشتتات على مشكلة التكتل الناتج عن الوزن الجزيئي العالي، ويُعدّ تطوير المشتتات ذات الوزن الجزيئي العالي أحد الاتجاهات السائدة. فعلى سبيل المثال، تم تطوير المشتت EFKA-4580، وهو مشتت ذو وزن جزيئي عالٍ يُنتج بتقنية بلمرة المستحلب، خصيصًا للطلاءات الصناعية المائية، وهو مناسب لتشتيت الأصباغ العضوية وغير العضوية، ويتميز بمقاومة جيدة للماء.

تتمتع مجموعات الأمين بألفة جيدة للعديد من الأصباغ من خلال الروابط الحمضية القاعدية أو الروابط الهيدروجينية. وقد حظي مُشتِّت البوليمر المتجانس الذي يحتوي على حمض الأمينو أكريليك كمجموعة تثبيت باهتمام كبير.

مُشتِّت يحتوي على ثنائي ميثيل أمينو إيثيل ميثاكريلات كمجموعة تثبيت

تُستخدم مادة Tego Dispers 655 المضافة للترطيب والتشتيت في دهانات السيارات المائية ليس فقط لتوجيه الأصباغ ولكن أيضًا لمنع مسحوق الألومنيوم من التفاعل مع الماء.

بسبب المخاوف البيئية، تم تطوير عوامل ترطيب وتشتيت قابلة للتحلل الحيوي، مثل عوامل الترطيب والتشتيت ثنائية الخلايا من سلسلة EnviroGem AE، وهي عوامل ترطيب وتشتيت منخفضة الرغوة.

2 مزيل رغوة:

هناك أنواع عديدة من مزيلات الرغوة التقليدية للدهانات المائية، والتي تنقسم عمومًا إلى ثلاث فئات: مزيلات الرغوة المصنوعة من الزيوت المعدنية، ومزيلات الرغوة المصنوعة من البولي سيلوكسان، ومزيلات الرغوة الأخرى.

تُستخدم مزيلات الرغوة المصنوعة من الزيوت المعدنية بشكل شائع، وخاصة في دهانات اللاتكس المسطحة وشبه اللامعة.

تتميز مزيلات الرغوة المصنوعة من البولي سيلوكسان بانخفاض التوتر السطحي، وقدرات قوية على إزالة الرغوة ومنعها، 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 للطلاءات المائية غير متوافقة مع الطور المائي لتحقيق الغرض من إزالة الرغوة، لذلك من السهل إنتاج عيوب سطحية في طبقة الطلاء.

في السنوات الأخيرة، تم تطوير مواد مضادة للرغوة على المستوى الجزيئي.

هذا العامل المضاد للرغوة عبارة عن بوليمر يتكون من خلال تطعيم مواد فعالة مضادة للرغوة مباشرةً على مادة حاملة. تحتوي السلسلة الجزيئية للبوليمر على مجموعة هيدروكسيل مرطبة، وتتوزع المادة الفعالة المضادة للرغوة حول الجزيء، مما يمنعها من التكتل بسهولة، ويضمن توافقًا جيدًا مع نظام الطلاء. تشمل هذه المواد المضادة للرغوة على المستوى الجزيئي زيوتًا معدنية (سلسلة FoamStar A10)، وموادًا تحتوي على السيليكون (سلسلة FoamStar A30)، وبوليمرات غير سيليكونية وغير زيتية (سلسلة FoamStar MF).

كما ورد أن هذا المُزيل للرغوة على المستوى الجزيئي يستخدم بوليمرات نجمية فائقة التطعيم كعوامل سطحية غير متوافقة، وقد حقق نتائج جيدة في تطبيقات الطلاء المائي. أما مُزيل الرغوة الجزيئي من شركة "إير برودكتس" الذي ذكره ستوت وآخرون، فهو عامل للتحكم في الرغوة ومُزيل للرغوة قائم على الأسيتيلين جليكول، ويتمتع بخصائص ترطيب، مثل "سورفينول إم دي 20" و"سورفينول دي إف 37".

بالإضافة إلى ذلك، ولتلبية احتياجات إنتاج الطلاءات الخالية من المركبات العضوية المتطايرة، توجد أيضًا مواد مضادة للرغوة خالية من المركبات العضوية المتطايرة، مثل Agitan 315 و Agitan E 255 وما إلى ذلك.

3 مواد مُكثِّفة:

هناك أنواع عديدة من المواد المكثفة، ومن المواد المكثفة الشائعة الاستخدام حاليًا إيثر السليلوز ومشتقاته، والمواد المكثفة القابلة للانتفاخ القلوي (HASE) والمواد المكثفة من البولي يوريثان (HEUR).

3.1. إيثر السليلوز ومشتقاته

أُنتج هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC) صناعيًا لأول مرة من قِبل شركة يونيون كاربايد عام 1932، وله تاريخ يمتد لأكثر من 70 عامًا. وتشمل مُكثِّفات إيثر السليلوز ومشتقاته حاليًا هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC)، وميثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (MHEC)، وإيثيل هيدروكسي إيثيل السليلوز (EHEC)، وميثيل هيدروكسي بروبيل السليلوز (MHPC)، وميثيل السليلوز (MC)، وصمغ الزانثان، وغيرها. وهي مُكثِّفات غير أيونية، وتُصنَّف ضمن مُكثِّفات الطور المائي غير المرتبطة. ويُعدّ هيدروكسي إيثيل السليلوز (HEC) الأكثر شيوعًا في دهانات اللاتكس.

يُضيف السليلوز المُعدَّل كيميائيًا ليصبح كارهًا للماء (HMHEC) كمية صغيرة من مجموعات الألكيل الكارهة للماء ذات السلاسل الطويلة إلى الهيكل الأساسي المحب للماء للسليلوز، ليصبح مُكثِّفًا ترابطيًا، مثل Natrosol Plus Grade 330 و331 وCellosize SG-100 وBermocoll EHM-100. ويُضاهي تأثيره في التكثيف تأثير مُكثِّفات إيثر السليلوز ذات الوزن الجزيئي الأكبر بكثير. كما يُحسِّن لزوجة وتجانس ICI، ويُقلِّل 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 في القلويات

تنقسم المُكثِّفات القابلة للانتفاخ في القلويات إلى فئتين: مُكثِّفات غير مُرتبطة قابلة للانتفاخ في القلويات (ASE) ومُكثِّفات مُرتبطة قابلة للانتفاخ في القلويات (HASE)، وهي مُكثِّفات أنيونية. المُكثِّفات غير المرتبطة القابلة للانتفاخ في القلويات هي مستحلب بولي أكريلات قابل للانتفاخ في القلويات. أما المُكثِّفات المرتبطة القابلة للانتفاخ في القلويات فهي مستحلب بولي أكريلات قابل للانتفاخ في القلويات مُعدَّل كيميائيًا لزيادة كراهية الماء.

3.3. مُثخِّن البولي يوريثان ومُثخِّن غير البولي يوريثان المُعدَّل كيميائيًا ليصبح كارهًا للماء

مُثخِّن البولي يوريثان، المعروف اختصارًا بـ HEUR، هو بوليمر قابل للذوبان في الماء من البولي يوريثان المُؤكسد والمُعدَّل بمجموعات كارهة للماء، وينتمي إلى فئة المُثخِّنات الترابطية غير الأيونية. يتكون HEUR من ثلاثة أجزاء: مجموعة كارهة للماء، وسلسلة محبة للماء، ومجموعة بولي يوريثان. تلعب المجموعة الكارهة للماء دورًا في الترابط، وهي العامل الحاسم في عملية التكثيف، وعادةً ما تكون من أنواع الأوليل، والأوكتاديسيل، والدوديسيل فينيل، والنونيل فينول، وغيرها. تُوفر السلسلة المحبة للماء استقرارًا كيميائيًا واستقرارًا في اللزوجة، ومن الأنواع الشائعة الاستخدام البولي إيثرات، مثل بولي أوكسي إيثيلين ومشتقاته. يتم إطالة السلسلة الجزيئية لـ HEUR بواسطة مجموعات بولي يوريثان، مثل IPDI وTDI وHMDI. تتميز المُثخِّنات الترابطية بنهايتها التي تنتهي بمجموعات كارهة للماء. مع ذلك، فإن درجة استبدال المجموعات الكارهة للماء في طرفي بعض أنواع HEUR المتوفرة تجاريًا أقل من 0.9، وأفضلها لا تتجاوز 1.7. يجب التحكم بدقة في ظروف التفاعل للحصول على مُثخِّن بولي يوريثان ذي توزيع ضيق للوزن الجزيئي وأداء مستقر. تُصنَّع معظم مُثخِّنات البولي يوريثان عالية الكثافة (HEURs) عن طريق البلمرة التدريجية، لذا فإن مُثخِّنات البولي يوريثان عالية الكثافة المتوفرة تجاريًا هي عمومًا عبارة عن مخاليط ذات أوزان جزيئية واسعة.

استخدم ريتشي وزملاؤه مُثخِّنًا مُرتبطًا بالبيرين (PAT، متوسط ​​الوزن الجزيئي العددي 30000، ومتوسط ​​الوزن الجزيئي الوزني 60000) كمتتبع فلوري، ووجدوا أنه عند تركيز 0.02% (وزنًا)، بلغت درجة تكتل المذيلات بين أكريسول RM-825 وPAT حوالي 6. تبلغ طاقة الارتباط بين المُثخِّن وسطح جزيئات اللاتكس حوالي 25 كيلوجول/مول؛ وتبلغ المساحة التي يشغلها كل جزيء من مُثخِّن PAT على سطح جزيئات اللاتكس حوالي 13 نانومترًا مربعًا، أي ما يعادل تقريبًا المساحة التي يشغلها عامل الترطيب تريتون X-405، والتي تبلغ 0.9 نانومتر مربع، أي 14 ضعفًا. ومن المُثخِّنات البولي يوريثانية المرتبطة، مثل RM-2020NPR وDSX 1550، وغيرها.

حظي تطوير مُكثِّفات البولي يوريثان الترابطية الصديقة للبيئة باهتمام واسع. على سبيل المثال، يُعدّ BYK-425 مُكثِّف بولي يوريثان مُعدَّل باليوريا وخالٍ من المركبات العضوية المتطايرة ومركبات الألكيل فينول إيثوكسيلات. كما تُعدّ Rheolate 210 وBorchi Gel 0434 وTego ViscoPlus 3010 و3030 و3060 مُكثِّفات بولي يوريثان ترابطية خالية من المركبات العضوية المتطايرة ومركبات الألكيل فينول إيثوكسيلات.

إضافةً إلى مُكثِّفات البولي يوريثان الخطية المُرتبطة المذكورة أعلاه، توجد أيضًا مُكثِّفات بولي يوريثان مُرتبطة على شكل مشط. يُطلق على مُكثِّفات البولي يوريثان المُرتبطة على شكل مشط اسم "مُكثِّفات البولي يوريثان ذات المجموعة الكارهة للماء" لوجود مجموعة متدلية كارهة للماء في منتصف كل جزيء من جزيئات المُكثِّف. ومن أمثلة هذه المُكثِّفات: SCT-200 وSCT-275.

يُحوّل مُثخّن الأمينوبلاست المُعدّل كارهًا للماء (مُثخّن الأمينوبلاست الإيثوكسيلي المُعدّل كارهًا للماء - HEAT) راتنج الأمين الخاص إلى أربع مجموعات كارهة للماء مُغطّاة، لكن تفاعلية هذه المواقع الأربعة تختلف. في الإضافة العادية للمجموعات الكارهة للماء، توجد مجموعتان فقط مُغطّاتان، لذا فإن مُثخّن الأمين المُعدّل كاره للماء المُصنّع لا يختلف كثيرًا عن HEUR، مثل Optiflo H 500. عند إضافة المزيد من المجموعات الكارهة للماء، بنسبة تصل إلى 8%، يُمكن تعديل ظروف التفاعل لإنتاج مُثخّنات أمينية ذات مجموعات كارهة للماء مُغطّاة متعددة. وهذا يُسمى أيضًا مُثخّنًا مُتشابكًا. يُمكن لهذا المُثخّن المُعدّل كارهًا للماء منع انخفاض لزوجة الطلاء نتيجة إضافة كمية كبيرة من المواد الخافضة للتوتر السطحي ومذيبات الجليكول عند إضافة مُطابقة الألوان. والسبب هو أن المجموعات الكارهة للماء القوية تمنع الامتزاز، كما أن المجموعات الكارهة للماء المتعددة تُكوّن روابط قوية. ومن أمثلة هذه المُثخّنات Optiflo TVS.

مُثخّن البولي إيثر المعدل الكاره للماء (HMPE) أداء مُثخّن البولي إيثر المعدل الكاره للماء مشابه لـ HEUR، وتشمل المنتجات Aquaflow NLS200 و NLS210 و NHS300 من Hercules.

تعتمد آلية زيادة اللزوجة على كلٍ من الروابط الهيدروجينية وتجمع المجموعات الطرفية. وبالمقارنة مع مواد زيادة اللزوجة الشائعة، تتميز هذه المادة بخصائص أفضل في مقاومة الترسيب والانضغاط. وبناءً على اختلاف قطبية المجموعات الطرفية، يمكن تقسيم مواد زيادة اللزوجة المعدلة من البولي يوريا إلى ثلاثة أنواع: مواد منخفضة القطبية، ومواد متوسطة القطبية، ومواد عالية القطبية. يُستخدم النوعان الأولان لزيادة لزوجة الطلاءات المذيبة، بينما يمكن استخدام المواد عالية القطبية مع كلٍ من الطلاءات المذيبة عالية القطبية والطلاءات المائية. ومن المنتجات التجارية لهذه المواد: BYK-411، وBYK-410، وBYK-420 على التوالي.

معجون شمع البولي أميد المعدل هو مادة مضافة لتحسين الخواص الريولوجية، يتم تصنيعها بإدخال مجموعات محبة للماء، مثل البولي إيثيلين جلايكول (PEG)، في السلسلة الجزيئية لشمع الأميد. حاليًا، تُستورد بعض العلامات التجارية وتُستخدم بشكل أساسي لضبط خاصية الانسيابية (التغير التدريجي في اللزوجة) وتحسين خاصية مقاومة الانسيابية (التغير التدريجي في اللزوجة) ومقاومة الترهل.