أكثر دليل موجز لتقنية تكثيف الطلاء المائي

1. تعريف ووظيفة المُكثِّف

تُسمى المواد المضافة التي يمكن أن تزيد بشكل كبير من لزوجة الدهانات المائية بالمثخنات.

تلعب المواد المكثفة دورًا مهمًا في إنتاج وتخزين وبناء الطلاءات.

تتمثل الوظيفة الرئيسية للمُكثِّف في زيادة لزوجة الطلاء لتلبية متطلبات مراحل الاستخدام المختلفة. ومع ذلك، تختلف اللزوجة المطلوبة للطلاء في كل مرحلة. على سبيل المثال:

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

أثناء عملية البناء، من المستحسن أن تكون اللزوجة معتدلة لضمان سهولة استخدام الطلاء بالفرشاة دون تلطيخ مفرط بالطلاء؛

بعد عملية البناء، من المأمول أن تعود اللزوجة بسرعة إلى لزوجة عالية بعد فترة تأخير قصيرة (عملية التسوية) لمنع الترهل.

تتميز الطلاءات المائية بسيولة غير نيوتونية.

عندما تنخفض لزوجة الطلاء مع زيادة قوة القص، يُطلق عليه اسم سائل شبه بلاستيكي، ومعظم الطلاء هو سائل شبه بلاستيكي.

عندما يرتبط سلوك تدفق سائل شبه بلاستيكي بتاريخه، أي أنه يعتمد على الوقت، فإنه يسمى سائل ثيكسوتروبي.

عند تصنيع الطلاءات، نحاول غالباً بوعي جعل الطلاءات انسيابية، مثل إضافة مواد مضافة.

عندما تكون خاصية الانسيابية للطلاء مناسبة، يمكنها حل التناقضات في المراحل المختلفة للطلاء، وتلبية الاحتياجات التقنية للزوجة المختلفة للطلاء في مراحل التخزين والتسوية والتجفيف.

تُضفي بعض المُكثّفات على الطلاء خاصية الانسيابية العالية، مما يجعله أكثر لزوجة في حالة السكون أو عند معدل قص منخفض (كما هو الحال أثناء التخزين أو النقل)، وذلك لمنع ترسب الصبغة. أما عند معدل قص عالٍ (كما هو الحال أثناء عملية الطلاء)، فيصبح الطلاء أقل لزوجة، مما يضمن انسيابية وتجانسًا كافيين للطبقة.

يتم تمثيل خاصية الانسيابية بواسطة مؤشر الانسيابية TI ويتم قياسها بواسطة مقياس لزوجة بروكفيلد.

TI=اللزوجة (المقاسة عند 6 دورة/دقيقة)/اللزوجة (المقاسة عند 60 دورة/دقيقة)

2. أنواع المُثخِّنات وتأثيراتها على خصائص الطلاء

(1) الأنواع من حيث التركيب الكيميائي، تنقسم المواد المكثفة إلى فئتين: عضوية وغير عضوية.

تشمل الأنواع غير العضوية البنتونيت، والأتابولجيت، وسيليكات الألومنيوم والمغنيسيوم، وسيليكات الليثيوم والمغنيسيوم، وما إلى ذلك، والأنواع العضوية مثل ميثيل السليلوز، وهيدروكسي إيثيل السليلوز، والبولي أكريلات، والبولي ميثاكريلات، وحمض الأكريليك أو البوليمر المتجانس أو البوليمر المشترك لميثيل أكريليك والبولي يوريثان، وما إلى ذلك.

من منظور تأثيرها على الخواص الريولوجية للطلاءات، تُقسم المُثخِّنات إلى مُثخِّنات ثيكسوتروبية ومُثخِّنات ترابطية. أما من حيث متطلبات الأداء، فينبغي أن تكون كمية المُثخِّن قليلة مع فعالية عالية في زيادة اللزوجة، وأن يكون مقاومًا للتآكل بفعل الإنزيمات، وألا تنخفض لزوجة الطلاء بشكل ملحوظ عند تغير درجة الحرارة أو الرقم الهيدروجيني، وألا تتكتل الصبغة والحشو، وأن يتمتع بثبات تخزيني جيد، وقدرة جيدة على الاحتفاظ بالماء، وعدم ظهور رغوة واضحة، وعدم وجود آثار سلبية على أداء طبقة الطلاء.

① مُكثِّف السليلوز

إن مثخنات السليلوز المستخدمة في الطلاء هي بشكل رئيسي ميثيل السليلوز، وهيدروكسي إيثيل السليلوز، وهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز، والأخيران هما الأكثر استخدامًا.

هيدروكسي إيثيل السليلوز هو منتج يُصنع باستبدال مجموعات الهيدروكسيل الموجودة على وحدات الجلوكوز في السليلوز الطبيعي بمجموعات هيدروكسي إيثيل. وتُصنّف مواصفات ونماذج هذا المنتج بشكل أساسي وفقًا لدرجة الاستبدال واللزوجة.

تُصنّف أنواع هيدروكسي إيثيل السليلوز إلى ثلاثة أنواع: النوع ذو الذوبان العادي، والنوع سريع التشتت، والنوع ذو الثبات البيولوجي. ويمكن إضافة هيدروكسي إيثيل السليلوز في مراحل مختلفة من عملية إنتاج الطلاء. يُضاف النوع سريع التشتت مباشرةً على شكل مسحوق جاف، ولكن يجب أن تكون قيمة الرقم الهيدروجيني (pH) للمحلول قبل الإضافة أقل من 7، وذلك لأن هيدروكسي إيثيل السليلوز يذوب ببطء عند انخفاض الرقم الهيدروجيني، مما يتيح وقتًا كافيًا للماء للتغلغل داخل الجزيئات، ثم يُرفع الرقم الهيدروجيني لتسريع عملية الذوبان. كما يمكن اتباع الخطوات نفسها لتحضير محلول لاصق بتركيز معين وإضافته إلى نظام الطلاء.

هيدروكسي بروبيل ميثيل سلولوزهو منتج يُحضّر باستبدال مجموعة الهيدروكسيل في وحدة الجلوكوز في السليلوز الطبيعي بمجموعة ميثوكسي، بينما يُستبدل الجزء الآخر بمجموعة هيدروكسي بروبيل. يُشابه تأثيره المُكثّف تأثير هيدروكسي إيثيل السليلوز. وهو مقاوم للتحلل الأنزيمي، لكن ذوبانه في الماء أقل من ذوبان هيدروكسي إيثيل السليلوز، كما أنه يميل إلى التكتل عند التسخين. بالنسبة لهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز المُعالج سطحيًا، يُمكن إضافته مباشرةً إلى الماء عند الاستخدام. بعد التقليب والتشتيت، تُضاف مواد قلوية مثل محلول الأمونيا لضبط الرقم الهيدروجيني إلى 8-9، ويُحرّك المزيج حتى يذوب تمامًا. أما بالنسبة لهيدروكسي بروبيل ميثيل السليلوز غير المُعالج سطحيًا، فيُمكن نقعه في ماء ساخن تزيد درجة حرارته عن 85 درجة مئوية قبل الاستخدام، ثم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، ثم تقليبه في ماء بارد أو مثلج حتى يذوب تمامًا.

② مُكثِّف غير عضوي

يتكون هذا النوع من المُكثِّفات بشكل أساسي من بعض منتجات الطين المُنشَّط، مثل البنتونيت وطين سيليكات المغنيسيوم والألومنيوم، وغيرها. ويتميز بأنه بالإضافة إلى تأثيره المُكثِّف، يتمتع أيضًا بتأثير تعليق جيد، ويمنع الترسيب، ولا يؤثر على مقاومة الطلاء للماء. بعد جفاف الطلاء وتشكيله لطبقة رقيقة، يعمل كحشو داخل طبقة الطلاء. أما عيبه، فهو أنه يؤثر بشكل ملحوظ على استواء الطلاء.

③ مُثخِّن بوليمر صناعي

تُستخدم مُكثِّفات البوليمرات الاصطناعية بشكل رئيسي في الأكريليك والبولي يوريثان (مُكثِّفات ترابطية). تتكون مُكثِّفات الأكريليك في الغالب من بوليمرات أكريليك تحتوي على مجموعات كربوكسيل. في الماء ذي الرقم الهيدروجيني 8-10، تتفكك مجموعة الكربوكسيل وتتضخم؛ وعندما يكون الرقم الهيدروجيني أكبر من 10، تذوب في الماء وتفقد تأثيرها المُكثِّف، لذا فإن تأثير التكثيف حساس للغاية للرقم الهيدروجيني.

تتمثل آلية زيادة لزوجة الطلاء بواسطة مُثخِّن الأكريلات في قدرة جزيئاته على الامتزاز على سطح جزيئات اللاتكس في الطلاء، وتشكيل طبقة طلاء بعد التورم القلوي، مما يزيد من حجم جزيئات اللاتكس، ويعيق حركتها البراونية، ويزيد من لزوجة نظام الطلاء. ثانيًا، يؤدي تورم المُثخِّن إلى زيادة لزوجة الطور المائي.

(2) تأثير المُثخِّن على خصائص الطلاء

يكون تأثير نوع المُثخِّن على الخصائص الريولوجية للطلاء كما يلي:

عندما تزداد كمية المادة المثخنة، تزداد اللزوجة الساكنة للطلاء بشكل كبير، ويكون اتجاه تغير اللزوجة متسقًا بشكل أساسي عند تعرضه لقوة قص خارجية.

مع تأثير المُثخِّن، تنخفض لزوجة الطلاء بسرعة عند تعرضه لقوة القص، مما يدل على اللدونة الزائفة.

باستخدام مُكثِّف السليلوز المُعدَّل كاره للماء (مثل EBS451FQ)، عند معدلات القص العالية، تظل اللزوجة عالية عندما تكون الكمية كبيرة.

باستخدام مثخنات البولي يوريثان الترابطية (مثل WT105A)، عند معدلات القص العالية، تظل اللزوجة عالية عندما تكون الكمية كبيرة.

باستخدام مواد التكثيف الأكريليكية (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 ترابطي

(1) آلية التكثيف

لا يمكن لمواد تكثيف الأثير السليلوزي والأكريليك القابلة للانتفاخ في القلويات إلا أن تعمل على تكثيف الطور المائي، ولكن ليس لها أي تأثير على تكثيف المكونات الأخرى في الطلاء المائي، كما أنها لا تستطيع إحداث تفاعل كبير بين الأصباغ الموجودة في الطلاء وجزيئات المستحلب، لذلك لا يمكن تعديل خواص انسياب الطلاء.

تتميز المواد المُكثِّفة الترابطية بأنها، بالإضافة إلى زيادة اللزوجة عن طريق الترطيب، تزيدها أيضًا من خلال تكوين روابط فيما بينها، ومع الجزيئات المُشتَّتة، ومع المكونات الأخرى في النظام. تتفكك هذه الروابط عند معدلات القص العالية، وتعود لتتشكل عند معدلات القص المنخفضة، مما يسمح بتعديل خواص انسياب الطلاء.

تعتمد آلية التكثيف للمكثف الترابطي على أن جزيئه عبارة عن سلسلة خطية محبة للماء، ومركب بوليمري ذو مجموعات محبة للدهون في كلا الطرفين، أي أنه يحتوي على مجموعات محبة للماء وكارهة للماء في بنيته، مما يجعله ذا خصائص جزيئات المواد الفعالة سطحياً. لا تقتصر وظيفة جزيئات هذا المكثف على ترطيب الماء والانتفاخ لزيادة لزوجته، بل يمكنها أيضاً تكوين جسيمات ميكرونية عندما يتجاوز تركيز محلولها المائي قيمة معينة. تتحد هذه الجسيمات الميكرونية مع جزيئات البوليمر في المستحلب وجزيئات الصبغة التي امتصت المشتت لتشكيل بنية شبكية ثلاثية الأبعاد، وتترابط وتتشابك هذه الجسيمات لزيادة لزوجة النظام.

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

(2) الدور في الطلاءات

معظم المُثخِّنات الترابطية هي بولي يوريثانات، وتتراوح أوزانها الجزيئية النسبية بين 103 و104 مراتب، أي أقل بمرتبتين من مُثخِّنات حمض البولي أكريليك والسليلوز العادية التي تتراوح أوزانها الجزيئية النسبية بين 105 و106. وبسبب انخفاض الوزن الجزيئي، يكون ازدياد الحجم الفعال بعد الترطيب أقل، لذا يكون منحنى لزوجتها أكثر استواءً من منحنى لزوجة المُثخِّنات غير الترابطية.

نظراً لانخفاض الوزن الجزيئي للمُكثِّف الترابطي، فإن تشابك جزيئاته في الطور المائي محدود، وبالتالي فإن تأثيره في زيادة لزوجة الطور المائي ليس كبيراً. في نطاق معدل القص المنخفض، يكون تحول الترابط بين الجزيئات أكبر من تفككه، ويحافظ النظام ككل على حالة تعليق وتشتت طبيعية، وتكون اللزوجة قريبة من لزوجة وسط التشتت (الماء). لذلك، يُقلل المُكثِّف الترابطي من اللزوجة الظاهرية لنظام الطلاء المائي في نطاق معدل القص المنخفض.

تزيد المُثخِّنات الترابطية من طاقة الوضع بين الجزيئات نتيجةً لترابطها في الطور المُشتَّت. وبالتالي، يلزم طاقة أكبر لكسر هذا الترابط عند معدلات القص العالية، كما تزداد قوة القص اللازمة لتحقيق نفس إجهاد القص، مما يجعل النظام يُظهر معدل قص أعلى عند معدلات القص العالية. اللزوجة الظاهرية. يمكن للزوجة العالية عند القص العالي واللزوجة المنخفضة عند القص المنخفض أن تُعوِّض نقص المُثخِّنات الشائعة في الخصائص الريولوجية للطلاء، أي أنه يُمكن استخدام المُثخِّنين معًا لضبط سيولة طلاء اللاتكس. أداء مُتغيِّر، لتلبية المتطلبات الشاملة للطلاء في طبقة سميكة وتدفق طبقة الطلاء.