Тайните на добавките за покрития на водна основа

Резюме:

1. Омокрящ и диспергиращ агент

2. Пеногасител

3. Сгъстител

4. Филмообразуващи добавки

5. Антикорозионен, антимухъл и антиалгичен агент

6. Други добавки

1 Омокрящ и диспергиращ агент:

Покритията на водна основа използват вода като разтворител или дисперсионна среда, а водата има голяма диелектрична константа, така че покритията на водна основа се стабилизират главно чрез електростатично отблъскване, когато електрическият двоен слой се припокрива. Освен това, в системата за покритие на водна основа често има полимери и нейонни повърхностноактивни вещества, които се адсорбират върху повърхността на пигментния пълнител, образувайки стерична пречка и стабилизирайки дисперсията. Следователно, боите и емулсиите на водна основа постигат стабилни резултати чрез съвместното действие на електростатично отблъскване и стерична пречка. Недостатъкът им е лошата електролитна устойчивост, особено при скъпите електролити.

1.1 Омокрящ агент

Омокрящите агенти за водоразтворими покрития се разделят на анионни и нейонни.

Комбинацията от омокрящ агент и диспергиращ агент може да постигне идеални резултати. Количеството на омокрящия агент обикновено е няколко на хиляда. Негативният му ефект е образуване на пяна и намаляване на водоустойчивостта на покривния филм.

Една от тенденциите в развитието на омокрящите агенти е постепенното им заместване с омокрящи агенти на базата на полиоксиетилен алкил (бензен) фенол етер (APEO или APE), тъй като това води до намаляване на мъжките хормони при плъхове и пречи на ендокринната система. Полиоксиетилен алкил (бензен) фенол етери се използват широко като емулгатори по време на емулсионна полимеризация.

Двойните повърхностноактивни вещества също са нови разработки. Това са две амфифилни молекули, свързани чрез спейсър. Най-забележителната характеристика на двуклетъчните повърхностноактивни вещества е, че критичната мицелна концентрация (CMC) е с повече от един порядък по-ниска от тази на техните „едноклетъчни“ повърхностноактивни вещества, следвана от висока ефективност. Като например TEGO Twin 4000, това е двуклетъчно силоксаново повърхностноактивно вещество с нестабилна пяна и свойства против пяна.

Air Products разработи повърхностноактивни вещества Gemini. Традиционните повърхностноактивни вещества имат хидрофобна опашка и хидрофилна глава, но това ново повърхностноактивно вещество има две хидрофилни групи и две или три хидрофобни групи, което го прави многофункционално повърхностноактивно вещество, известно като ацетилен гликоли, продукти като EnviroGem AD01.

1.2 Диспергатор

Дисперсантите за латексови бои се разделят на четири категории: фосфатни дисперсанти, поликиселинни хомополимерни дисперсанти, поликиселинни съполимерни дисперсанти и други дисперсанти.

Най-широко използваните фосфатни дисперсанти са полифосфатите, като натриев хексаметафосфат, натриев полифосфат (Calgon N, продукт на BK Giulini Chemical Company в Германия), калиев триполифосфат (KTPP) и тетрапасиев пирофосфат (TKPP). Механизмът на действието му е да стабилизира електростатичното отблъскване чрез водородни връзки и химическа адсорбция. Предимството му е, че дозировката е ниска, около 0,1%, и има добър дисперсионен ефект върху неорганичните пигменти и пълнители. Но има и недостатъци: един от тях, наред с повишаването на pH стойността и температурата, е, че полифосфатът лесно се хидролизира, което води до лоша дългосрочна стабилност при съхранение; Непълното разтваряне в среда ще повлияе на блясъка на гланцовата латексова боя.

Дисперсантите на фосфатни естери са смеси от моноестери, диестери, остатъчни алкохоли и фосфорна киселина.

Дисперсантите на базата на фосфатни естери стабилизират пигментните дисперсии, включително реактивни пигменти като цинков оксид. В гланцовите бои подобряват блясъка и почистваемостта. За разлика от други омокрящи и диспергиращи добавки, добавянето на дисперсанти на базата на фосфатни естери не влияе на вискозитета на KU и ICI на покритието.

Поликиселинен хомополимерен дисперсант, като Tamol 1254 и Tamol 850, Tamol 850 е хомополимер на метакрилова киселина. Поликиселинен съполимерен дисперсант, като Orotan 731A, е съполимер на диизобутилен и малеинова киселина. Характеристиките на тези два вида дисперсанти са, че те произвеждат силна адсорбция или закрепване върху повърхността на пигменти и пълнители, имат по-дълги молекулни вериги за образуване на стерична пречка и имат водоразтворимост в краищата на веригата, а някои са допълнени с електростатично отблъскване за постигане на стабилни резултати. За да се постигне добра диспергируемост на дисперсанта, молекулното тегло трябва да се контролира стриктно. Ако молекулното тегло е твърде малко, стеричната пречка ще бъде недостатъчна; ако молекулното тегло е твърде голямо, ще се получи флокулация. При полиакрилатните дисперсанти най-добрият ефект на диспергиране може да се постигне, ако степента на полимеризация е 12-18.

Други видове дисперсанти, като AMP-95, имат химическо наименование 2-амино-2-метил-1-пропанол. Аминогрупата се адсорбира върху повърхността на неорганичните частици, а хидроксилната група се простира до водата, която играе стабилизираща роля чрез стерично затруднение. Поради малкия си размер, стеричното затруднение е ограничено. AMP-95 е главно регулатор на pH.

През последните години изследванията на дисперсантите са преодолели проблема с флокулацията, причинена от високо молекулно тегло, и разработването на високо молекулно тегло е една от тенденциите. Например, високомолекулният дисперсант EFKA-4580, произведен чрез емулсионна полимеризация, е специално разработен за индустриални покрития на водна основа, подходящ е за диспергиране на органични и неорганични пигменти и има добра водоустойчивост.

Аминогрупите имат добър афинитет към много пигменти чрез киселинно-алкални или водородни връзки. Обърнато е внимание на блоковия съполимерен диспергатор с аминоакрилова киселина като закотвяща група.

Дисперсант с диметиламиноетилметакрилат като закотвяща група

Омокрящата и диспергираща добавка Tego Dispers 655 се използва във водоразтворими автомобилни бои не само за ориентиране на пигментите, но и за предотвратяване на реакцията на алуминиевия прах с водата.

Поради опасения за околната среда са разработени биоразградими омокрящи и диспергиращи агенти, като например двуклетъчни омокрящи и диспергиращи агенти от серията EnviroGem AE, които са омокрящи и диспергиращи агенти с ниско пенообразуване.

2 пеногасител:

Съществуват много видове традиционни пеногасители за бои на водна основа, които обикновено се разделят на три категории: пеногасители на базата на минерално масло, полисилоксанови пеногасители и други пеногасители.

Пеногасителите на базата на минерално масло се използват често, главно в матови и полугланцови латексови бои.

Полисилоксановите пеногасители имат ниско повърхностно напрежение, силни пеногасителни и противопенни свойства и не влияят на блясъка, но при неправилна употреба могат да причинят дефекти като свиване на покривния филм и лоша възможност за повторно нанасяне.

Традиционните пеногасители за бои на водна основа са несъвместими с водната фаза, за да постигнат целта на пеногасене, така че е лесно да се получат повърхностни дефекти в покривния филм.

През последните години са разработени пеногасители на молекулярно ниво.

Този антипенител е полимер, образуван чрез директно присаждане на антипенителни активни вещества върху носещото вещество. Молекулярната верига на полимера има омокряща хидроксилна група, антипенителното активно вещество е разпределено около молекулата, активното вещество не се агрегира лесно и съвместимостта с покривната система е добра. Такива молекулярни антипенители включват минерални масла - серия FoamStar A10, силиций-съдържащи - серия FoamStar A30 и несиликонови, немаслени полимери - серия FoamStar MF.

Съобщава се също, че този молекулярен пеногасител използва суперприсадени звездовидни полимери като несъвместими повърхностноактивни вещества и е постигнал добри резултати при приложения на покрития на водна основа. Молекулярният пеногасител на Air Products, описан от Stout et al., е агент за контрол на пяната и пеногасител на базата на ацетилен гликол с омокрящи свойства, като например Surfynol MD 20 и Surfynol DF 37.

Освен това, за да се отговорят на нуждите от производство на покрития с нулево съдържание на летливи органични съединения (ЛОС), съществуват и пеногасители без ЛОС, като Agitan 315, Agitan E 255 и др.

3 сгъстителя:

Съществуват много видове сгъстители, като в момента най-често използвани са сгъстителите на базата на целулозен етер и неговите производни, асоциативните алкално-набъбващи сгъстители (HASE) и полиуретановите сгъстители (HEUR).

3.1. Целулозен етер и неговите производни

Хидроксиетилцелулозата (HEC) е произведена за първи път индустриално от Union Carbide Company през 1932 г. и има история от над 70 години. В момента сгъстителите на целулозния етер и неговите производни включват главно хидроксиетилцелулоза (HEC), метилхидроксиетилцелулоза (MHEC), етилхидроксиетилцелулоза (EHEC), метилхидроксипропилцелулоза (MHPC), метилцелулоза (MC) и ксантанова гума и др. Те са нейонни сгъстители и също принадлежат към не-асоциираните сгъстители във водна фаза. Сред тях HEC е най-често използваният в латексовите бои.

Хидрофобно модифицираната целулоза (HMHEC) въвежда малко количество дълговерижни хидрофобни алкилови групи в хидрофилния скелет на целулозата, за да се превърне в асоциативен сгъстител, като например Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100. Неговият сгъстяващ ефект е сравним с този на сгъстителите на базата на целулозни етери с много по-голямо молекулно тегло. Подобрява вискозитета и изравняването на ICI и намалява повърхностното напрежение, като например повърхностното напрежение на HEC е около 67mN/m, а повърхностното напрежение на HMHEC е 55-65mN/m.

3.2 Алкално-набъбващ сгъстител

Алкално-набъбващите сгъстители се разделят на две категории: неасоциативни алкално-набъбващи сгъстители (ASE) и асоциативни алкално-набъбващи сгъстители (HASE), които са анионни сгъстители. Неасоциираният ASE е полиакрилатна алкално-набъбваща емулсия. Асоциативният HASE е хидрофобно модифицирана полиакрилатна алкално-набъбваща емулсия.

3.3. Полиуретанов сгъстител и хидрофобно модифициран неполиуретанов сгъстител

Полиуретановият сгъстител, наричан HEUR, е хидрофобно-модифициран етоксилиран полиуретанов водоразтворим полимер, който принадлежи към нейонните асоциативни сгъстители. HEUR се състои от три части: хидрофобна група, хидрофилна верига и полиуретанова група. Хидрофобната група играе асоциативна роля и е решаващият фактор за сгъстяването, обикновено това са олеил, октадецил, додецилфенил, нонилфенол и др. Хидрофилната верига може да осигури химическа стабилност и стабилност на вискозитета, като най-често се използват полиетери, като полиоксиетилен и неговите производни. Молекулната верига на HEUR е удължена от полиуретанови групи, като IPDI, TDI и HMDI. Структурната характеристика на асоциативните сгъстители е, че те са завършени с хидрофобни групи. Степента на заместване на хидрофобните групи в двата края на някои търговски достъпни HEUR обаче е по-ниска от 0,9, а най-добрата е само 1,7. Реакционните условия трябва да бъдат стриктно контролирани, за да се получи полиуретанов сгъстител с тясно молекулно-тегловно разпределение и стабилни характеристики. Повечето HEUR се синтезират чрез поетапна полимеризация, така че предлаганите в търговската мрежа HEUR обикновено са смеси с широки молекулни тегла.

Ричи и др. използваха флуоресцентен трасер - сгъстител за асоцииране на пирен (PAT, средно числово молекулно тегло 30000, средно тегловно молекулно тегло 60000), за да установят, че при концентрация от 0,02% (тегловно), степента на агрегация на мицелите на Acrysol RM-825 и PAT е около 6. Енергията на асоцииране между сгъстителя и повърхността на латексовите частици е около 25 KJ/mol; площта, заета от всяка молекула PAT сгъстител върху повърхността на латексовите частици, е около 13 nm2, което е приблизително 14 пъти по-голяма площ от тази на омокрящия агент Triton X-405 от 0,9 nm2. Асоциативен полиуретанов сгъстител като RM-2020NPR, DSX 1550 и др.

Разработването на екологично чисти асоциативни полиуретанови сгъстители е получило широко внимание. Например, BYK-425 е модифициран с урея полиуретанов сгъстител без ЛОС и APEO. Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 и 3060 са асоциативен полиуретанов сгъстител без ЛОС и APEO.

В допълнение към описаните по-горе линейни асоциативни полиуретанови сгъстители, съществуват и гребеновидни асоциативни полиуретанови сгъстители. Така нареченият гребеновиден асоциативен полиуретанов сгъстител означава, че в средата на всяка молекула на сгъстителя има висяща хидрофобна група. Такива сгъстители като SCT-200 и SCT-275 и др.

Хидрофобно модифицираният аминопласт сгъстител (хидрофобно модифициран етоксилиран аминопласт сгъстител - HEAT) променя специалната амино смола в четири затворени хидрофобни групи, но реактивността на тези четири реакционни места е различна. При нормално добавяне на хидрофобни групи има само две блокирани хидрофобни групи, така че синтетичният хидрофобно модифициран амино сгъстител не се различава много от HEUR, като например Optiflo H 500. Ако се добавят повече хидрофобни групи, например до 8%, реакционните условия могат да бъдат коригирани, за да се получат амино сгъстители с множество блокирани хидрофобни групи. Разбира се, това е и гребенен сгъстител. Този хидрофобно модифициран амино сгъстител може да предотврати спадане на вискозитета на боята поради добавянето на голямо количество повърхностноактивни вещества и гликолови разтворители при добавяне на цветово съчетание. Причината е, че силните хидрофобни групи могат да предотвратят десорбцията, а множеството хидрофобни групи имат силна асоциация. Такива сгъстители са Optiflo TVS.

Хидрофобен модифициран полиетерен сгъстител (HMPE) Характеристиките на хидрофобно модифицирания полиетерен сгъстител са подобни на HEUR, а продуктите включват Aquaflow NLS200, NLS210 и NHS300 на Hercules.

Механизмът му на сгъстяване е ефект както на водородни връзки, така и на асоциация на крайни групи. В сравнение с обикновените сгъстители, той има по-добри свойства против утаяване и свличане. Според различните полярности на крайните групи, модифицираните полиуретанови сгъстители могат да бъдат разделени на три вида: нискополярни полиуретанови сгъстители, среднополярни полиуретанови сгъстители и високополярни полиуретанови сгъстители. Първите два се използват за сгъстяване на покрития на основата на разтворители, докато високополярните полиуретанови сгъстители могат да се използват както за високополярни покрития на основата на разтворители, така и за покрития на водна основа. Търговските продукти на нискополярни, среднополярни и високополярни полиуретанови сгъстители са съответно BYK-411, BYK-410 и BYK-420.

Модифицираната полиамидна восъчна суспензия е реологична добавка, синтезирана чрез въвеждане на хидрофилни групи като PEG в молекулната верига на амидния восък. В момента някои марки се внасят и се използват главно за регулиране на тиксотропията на системата и подобряване на антитиксотропните свойства. Противоуплътняващи свойства.