الدليل التعليمي الأكثر إيجازًا حول تقنية تكثيف الطلاء القائم على الماء

1. تعريف ووظيفة المُكثِّف

تُسمى المواد المضافة التي يمكنها زيادة لزوجة الدهانات القائمة على الماء بشكل كبير بالمكثفات.

تلعب المواد المكثفة دورًا مهمًا في إنتاج وتخزين وبناء الطلاءات.

الوظيفة الرئيسية للمكثف هي زيادة لزوجة الطلاء لتلبية متطلبات مراحل الاستخدام المختلفة. مع ذلك، تختلف اللزوجة المطلوبة للطلاء في مراحل الاستخدام المختلفة. على سبيل المثال:

أثناء عملية التخزين، من المستحسن أن تكون اللزوجة عالية لمنع ترسب الصبغة؛

أثناء عملية البناء، من المستحسن أن يكون اللزوجة معتدلة لضمان أن الطلاء يتمتع بسهولة التنظيف دون تلطيخ مفرط للطلاء؛

بعد البناء، من المأمول أن تتمكن اللزوجة من العودة بسرعة إلى اللزوجة العالية بعد فترة زمنية قصيرة (عملية التسوية) لمنع الترهل.

إن سيولة الطلاءات المحمولة بالماء ليست نيوتونية.

عندما تقل لزوجة الطلاء مع زيادة قوة القص، يطلق عليه اسم سائل شبه بلاستيكي، ومعظم الطلاء عبارة عن سائل شبه بلاستيكي.

عندما يكون سلوك تدفق السائل شبه البلاستيكي مرتبطًا بتاريخه، أي أنه يعتمد على الوقت، يُطلق عليه اسم السائل الثيكسوتروبي.

عند تصنيع الطلاءات، نحاول في كثير من الأحيان عن عمد أن نجعل الطلاءات مرنة، مثل إضافة المواد المضافة.

عندما تكون اللزوجة للطلاء مناسبة، فإنه يمكن حل التناقضات بين المراحل المختلفة للطلاء، وتلبية الاحتياجات الفنية للزوجة المختلفة للطلاء في مراحل التخزين وتسوية البناء والتجفيف.

بعض المُكثِّفات تُعطي الطلاء لزوجةً عاليةً، ما يُعطيه لزوجةً أعلى في حالة السكون أو عند معدل قصٍّ منخفض (مثل التخزين أو النقل)، وذلك لمنع ترسب الصبغة في الطلاء. وفي حالات القصّ العالية (مثل عملية الطلاء)، تكون اللزوجة منخفضةً، ما يُتيح للطلاء انسيابيةً وتسويةً كافيتين.

يتم تمثيل اللزوجة بواسطة مؤشر اللزوجة TI ويتم قياسها بواسطة مقياس اللزوجة بروكفيلد.

TI = اللزوجة (مقاسة عند 6 دورة في الدقيقة) / اللزوجة (مقاسة عند 60 دورة في الدقيقة)

2. أنواع المُكثِّفات وتأثيراتها على خصائص الطلاء

(1) الأنواع تنقسم المكثفات من حيث التركيب الكيميائي إلى فئتين: عضوية وغير عضوية.

تشمل الأنواع غير العضوية البنتونيت، الأتابولجيت، سيليكات الألومنيوم والمغنيسيوم، سيليكات الليثيوم والمغنيسيوم، وما إلى ذلك، والأنواع العضوية مثل ميثيل السليلوز، هيدروكسي إيثيل السليلوز، بولي أكريلات، بولي ميثاكريلات، حمض الأكريليك أو ميثيل أكريليك هوموبوليمر أو كوبوليمر وبولي يوريثين وما إلى ذلك.

من منظور تأثيرها على الخواص الريولوجية للطلاء، تُصنف المُكثِّفات إلى مُكثِّفات ثيكسوتروبيكية ومُكثِّفات ترابطية. من حيث متطلبات الأداء، يجب أن تكون كمية المُكثِّف أقل، وأن يكون تأثير التثخين جيدًا؛ كما أنه لا يتآكل بسهولة بواسطة الإنزيمات؛ ومع تغير درجة الحرارة أو قيمة الرقم الهيدروجيني للنظام، لن تنخفض لزوجة الطلاء بشكل كبير، ولن يتكتل الصبغ والحشو. يتميز بثبات تخزين جيد؛ واحتفاظ جيد بالماء، وعدم ظهور رغوة واضحة، وعدم وجود آثار سلبية على أداء طبقة الطلاء.

①مكثف السليلوز

إن مكثفات السليلوز المستخدمة في الطلاءات هي بشكل أساسي ميثيل السليلوز، وهيدروكسي إيثيل السليلوز، وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز، ويتم استخدام النوعين الأخيرين بشكل أكثر شيوعًا.

هيدروكسي إيثيل السليلوز منتج يُحصل عليه عن طريق استبدال مجموعات الهيدروكسيل في وحدات الجلوكوز في السليلوز الطبيعي بمجموعات هيدروكسي إيثيل. وتختلف مواصفات ونماذج المنتجات بشكل رئيسي حسب درجة الاستبدال واللزوجة.

تُصنف أنواع هيدروكسي إيثيل السليلوز أيضًا إلى نوع ذو ذوبان عادي، ونوع ذو تشتت سريع، ونوع ذو استقرار بيولوجي. أما طريقة الاستخدام، فيمكن إضافة هيدروكسي إيثيل السليلوز في مراحل مختلفة من عملية إنتاج الطلاء. ويمكن إضافة النوع سريع التشتت مباشرةً على شكل مسحوق جاف. مع ذلك، يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني للنظام قبل الإضافة أقل من 7، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن هيدروكسي إيثيل السليلوز يذوب ببطء عند قيمة الرقم الهيدروجيني المنخفضة، مما يتيح وقتًا كافيًا لتسرب الماء إلى داخل الجزيئات، ثم تُرفع قيمة الرقم الهيدروجيني لسرعة ذوبانه. كما يمكن اتباع الخطوات المقابلة لتحضير تركيز معين من محلول الغراء وإضافته إلى نظام الطلاء.

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزهو منتج يتم الحصول عليه عن طريق استبدال مجموعة الهيدروكسيل في وحدة الجلوكوز من السليلوز الطبيعي بمجموعة ميثوكسي، بينما يتم استبدال الجزء الآخر بمجموعة هيدروكسي بروبيل. تأثيره المكثّف هو في الأساس نفس تأثير هيدروكسي إيثيل السليلوز. وهو مقاوم للتحلل الأنزيمي، لكن قابليته للذوبان في الماء ليست جيدة مثل هيدروكسي إيثيل السليلوز، وله عيب التجلط عند التسخين. بالنسبة لهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز المعالج سطحيًا، يمكن إضافته مباشرة إلى الماء عند استخدامه. بعد التقليب والتشتيت، أضف مواد قلوية مثل ماء الأمونيا لضبط قيمة الرقم الهيدروجيني إلى 8-9، وحرك حتى يذوب تمامًا. بالنسبة لهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز بدون معالجة سطحية، يمكن نقعه ونفخه بالماء الساخن فوق 85 درجة مئوية قبل الاستخدام، ثم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم تحريكه بالماء البارد أو الماء المثلج لإذابته تمامًا.

②مكثف غير عضوي

هذا النوع من المُكثِّف يتكون أساسًا من بعض منتجات الطين المُنشَّط، مثل البنتونيت، وطين سيليكات المغنيسيوم والألومنيوم، وغيرها. يتميز بأنه بالإضافة إلى تأثيره المُكثِّف، يتميز أيضًا بتأثير تعليق جيد، ويمنع الغرق، ولا يؤثر على مقاومة الطلاء للماء. بعد تجفيف الطلاء وتشكيله على شكل غشاء، يعمل كحشو في غشاء الطلاء، وما إلى ذلك. لكن من عيوبه أنه سيؤثر بشكل كبير على استواء الطلاء.

③ مُكثِّف البوليمر الاصطناعي

تُستخدم مُكثِّفات البوليمرات الاصطناعية بشكل رئيسي في الأكريليك والبولي يوريثان (مُكثِّفات ترابطية). مُكثِّفات الأكريليك هي في الغالب بوليمرات أكريليك تحتوي على مجموعات كربوكسيل. في الماء ذي الرقم الهيدروجيني 8-10، تتفكك مجموعة الكربوكسيل وتنتفخ؛ وعندما تكون قيمة الرقم الهيدروجيني أكبر من 10، تذوب في الماء وتفقد تأثيرها المُكثِّف، لذا فإن تأثيرها المُكثِّف حساس جدًا لقيمة الرقم الهيدروجيني.

آلية تكثيف مكثف الأكريلات هي أن جزيئاتها يمكن امتصاصها على سطح جزيئات اللاتكس في الطلاء، وتشكيل طبقة طلاء بعد تورم القلوي، مما يزيد من حجم جزيئات اللاتكس، ويعيق الحركة البراونية للجسيمات، ويزيد من لزوجة نظام الطلاء. ثانياً، يزيد تورم المكثف من لزوجة الطور المائي.

(2) تأثير المُكثِّف على خصائص الطلاء

إن تأثير نوع المكثّف على الخواص الرومولوجية للطلاء هو كما يلي:

عندما تزيد كمية المكثِّف، تزداد اللزوجة الثابتة للطلاء بشكل كبير، ويكون اتجاه تغير اللزوجة ثابتًا بشكل أساسي عند تعرضه لقوة قص خارجية.

مع تأثير المكثِّف، تنخفض لزوجة الطلاء بسرعة عندما يتعرض لقوة القص، مما يُظهِر اللدونة الزائفة.

باستخدام مكثف السليلوز المعدل كارهًا للماء (مثل EBS451FQ)، بمعدلات قص عالية، تظل اللزوجة عالية عندما تكون الكمية كبيرة.

باستخدام مكثفات البولي يوريثين الترابطية (مثل WT105A)، بمعدلات قص عالية، تظل اللزوجة مرتفعة عندما تكون الكمية كبيرة.

عند استخدام مكثفات الأكريليك (مثل ASE60)، على الرغم من أن اللزوجة الساكنة ترتفع بسرعة عندما تكون الكمية كبيرة، إلا أن اللزوجة تنخفض بسرعة عند معدل قص أعلى.

3. مُكثِّف ارتباطي

(1) آلية التكثيف

يمكن لمكثفات الأثير السليلوزية والأكريليك القابلة للانتفاخ بالقلويات أن تزيد من سماكة الطور المائي فقط، ولكن ليس لها تأثير سماكة على المكونات الأخرى في الطلاء القائم على الماء، ولا يمكنها أن تسبب تفاعلًا كبيرًا بين الصبغات الموجودة في الطلاء وجزيئات المستحلب، وبالتالي لا يمكن تعديل ريولوجيا الطلاء.

تتميز المُكثِّفات الترابطية بأنها، بالإضافة إلى التكثيف بالترطيب، تُكثِّف أيضًا من خلال ارتباطها ببعضها البعض، وبالجسيمات المُشتَّتة، وبمكونات أخرى في النظام. يتفكك هذا الارتباط بمعدلات قص عالية، ويعود للارتباط بمعدلات قص منخفضة، مما يسمح بتعديل خصائص ريولوجيا الطلاء.

آلية تكثيف المُكثِّف الترابطي هي أن جزيئه عبارة عن سلسلة خطية مُحبّة للماء، وهو مركب بوليمري ذو مجموعات مُحبّة للدهون في طرفيه، أي أنه يحتوي على مجموعات مُحبّة للماء وأخرى كارهة للماء في بنيته، ما يجعله يتمتع بخصائص جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي. لا تقتصر قدرة جزيئات المُكثِّف هذه على الترطيب والانتفاخ لتكثيف الطور المائي فحسب، بل تُشكّل أيضًا مُذيلات عندما يتجاوز تركيز محلولها المائي قيمةً مُحددة. يمكن أن ترتبط المُذيلات بجسيمات بوليمر المُستحلب وجسيمات الصبغة التي امتصّت المُشتت لتكوين بنية شبكية ثلاثية الأبعاد، وتترابط وتتشابك لزيادة لزوجة النظام.

الأهم من ذلك هو أن هذه الارتباطات في حالة توازن ديناميكي، وأن هذه الميسيلات المرتبطة بها قادرة على تعديل مواقعها عند تعرضها لقوى خارجية، مما يمنح الطلاء خصائص تسوية. بالإضافة إلى ذلك، ولأن الجزيء يحتوي على عدة ميسيلات، فإن هذا الهيكل يقلل من ميل جزيئات الماء للهجرة، وبالتالي يزيد من لزوجة الطور المائي.

(2) الدور في الطلاءات

معظم المُكثِّفات الترابطية هي بولي يوريثان، وتتراوح أوزانها الجزيئية النسبية بين 103 و104 من حيث الحجم، أي أقل بدرجتين من مُكثِّفات حمض البولي أكريليك العادي ومُكثِّفات السليلوز التي تتراوح أوزانها الجزيئية النسبية بين 105 و106. ونظرًا لانخفاض وزنها الجزيئي، تكون الزيادة الفعلية في الحجم بعد الترطيب أقل، لذا يكون منحنى لزوجتها أكثر تسطحًا من منحنى لزوجة المُكثِّفات غير الترابطية.

نظرًا لانخفاض الوزن الجزيئي للمكثف الترابطي، فإن تشابكه الجزيئي في الطور المائي محدود، لذا فإن تأثيره في التكثيف على الطور المائي ليس ذا دلالة إحصائية. في نطاق معدل القص المنخفض، يكون تحويل الارتباط بين الجزيئات أكبر من تدمير الارتباط بينها، ويحافظ النظام بأكمله على حالة تعليق وتشتت متأصلة، وتكون اللزوجة قريبة من لزوجة وسط التشتت (الماء). لذلك، يُظهر المكثف الترابطي لزوجة ظاهرية أقل لنظام الطلاء المائي عند نطاق معدل القص المنخفض.

تزيد المُكثِّفات الترابطية من الطاقة الكامنة بين الجزيئات نتيجةً لارتباط الجسيمات في الطور المُشتَّت. وبهذه الطريقة، يلزم مزيد من الطاقة لكسر الارتباط بين الجزيئات بمعدلات قص عالية، وتكون قوة القص المطلوبة لتحقيق نفس إجهاد القص أكبر أيضًا، بحيث يُظهر النظام معدل قص أعلى عند معدلات قص عالية. اللزوجة الظاهرية. يُمكن أن تُعوِّض اللزوجة العالية للقص العالية والمنخفضة للقص المنخفض عن نقص المُكثِّفات الشائعة في الخصائص الريولوجية للطلاء، أي أنه يُمكن استخدام المُكثِّفين معًا لضبط سيولة طلاء اللاتكس. أداء مُتغير، لتلبية المتطلبات الشاملة للطلاء في طبقة سميكة وتدفق طبقة الطلاء.