1. Definition und Funktion des Verdickungsmittels
Zusatzstoffe, die die Viskosität von wasserbasierten Farben deutlich erhöhen können, werden als Verdickungsmittel bezeichnet.
Verdickungsmittel spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung, Lagerung und Verarbeitung von Beschichtungen.
Die Hauptfunktion des Verdickungsmittels besteht darin, die Viskosität der Beschichtung zu erhöhen, um den Anforderungen verschiedener Anwendungsphasen gerecht zu werden. Die für die Beschichtung in den verschiedenen Phasen erforderliche Viskosität ist jedoch unterschiedlich. Beispiel:
Während der Lagerung ist eine hohe Viskosität wünschenswert, um ein Absetzen des Pigments zu verhindern.
Während des Bauprozesses ist eine moderate Viskosität wünschenswert, um sicherzustellen, dass die Farbe gut verstreichbar ist und keine übermäßigen Farbflecken entstehen.
Nach Abschluss der Bauarbeiten ist zu hoffen, dass die Viskosität nach einer kurzen Verzögerung (Nivellierungsprozess) schnell wieder einen hohen Wert erreicht, um ein Absacken zu verhindern.
Die Fließfähigkeit von wasserbasierten Beschichtungen ist nicht-Newtonsch.
Wenn die Viskosität der Farbe mit zunehmender Scherkraft abnimmt, spricht man von einer pseudoplastischen Flüssigkeit, und die meisten Farben sind pseudoplastische Flüssigkeiten.
Wenn das Fließverhalten einer pseudoplastischen Flüssigkeit mit ihrer Vorgeschichte zusammenhängt, also zeitabhängig ist, wird sie als thixotrope Flüssigkeit bezeichnet.
Bei der Herstellung von Beschichtungen versuchen wir oft bewusst, die Beschichtungen thixotrop zu machen, beispielsweise durch die Zugabe von Additiven.
Bei geeigneter Thixotropie der Beschichtung können die Widersprüche der verschiedenen Phasen des Beschichtungsprozesses aufgelöst und die technischen Anforderungen an die unterschiedliche Viskosität der Beschichtung in den Phasen Lagerung, Nivellierung und Trocknung erfüllt werden.
Manche Verdickungsmittel verleihen der Farbe eine hohe Thixotropie, wodurch sie im Ruhezustand oder bei niedriger Schergeschwindigkeit (z. B. bei Lagerung oder Transport) eine höhere Viskosität aufweist und so das Absetzen der Pigmente verhindert wird. Bei hoher Schergeschwindigkeit (z. B. beim Beschichtungsprozess) hingegen ist die Viskosität niedrig, was für einen ausreichenden Verlauf und eine gute Verlaufseigenschaften der Beschichtung sorgt.
Die Thixotropie wird durch den Thixotropieindex TI dargestellt und mit einem Brookfield-Viskosimeter gemessen.
TI = Viskosität (gemessen bei 6 U/min) / Viskosität (gemessen bei 60 U/min)
2. Arten von Verdickungsmitteln und deren Auswirkungen auf die Beschichtungseigenschaften
(1) Arten Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung werden Verdickungsmittel in zwei Kategorien unterteilt: organische und anorganische.
Zu den anorganischen Typen gehören Bentonit, Attapulgit, Aluminiummagnesiumsilikat, Lithiummagnesiumsilikat usw., zu den organischen Typen Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyacrylat, Polymethacrylat, Acrylsäure oder Methylacrylat-Homopolymer oder -Copolymer und Polyurethan usw.
Hinsichtlich ihres Einflusses auf die rheologischen Eigenschaften von Beschichtungen werden Verdickungsmittel in thixotrope und assoziative Verdickungsmittel unterteilt. Bezüglich der Leistungsanforderungen sollten sie mit geringer Menge an Verdickungsmittel auskommen und eine gute Verdickungswirkung erzielen; sie sollten nicht anfällig für enzymatische Zersetzung sein; bei Änderungen der Temperatur oder des pH-Werts des Systems sollte die Viskosität der Beschichtung nicht signifikant abnehmen und Pigmente und Füllstoffe sollten nicht ausflocken; gute Lagerstabilität, gute Wasserretention, keine nennenswerte Schaumbildung und keine negativen Auswirkungen auf die Eigenschaften des Beschichtungsfilms sind ebenfalls wichtig;
① Celluloseverdickungsmittel
Bei den in Beschichtungen verwendeten Celluloseverdickern handelt es sich hauptsächlich um Methylcellulose, Hydroxyethylcellulose und Hydroxypropylmethylcellulose, wobei die beiden letztgenannten häufiger zum Einsatz kommen.
Hydroxyethylcellulose ist ein Produkt, das durch den Ersatz der Hydroxylgruppen an den Glucoseeinheiten natürlicher Cellulose durch Hydroxyethylgruppen gewonnen wird. Die Spezifikationen und Modelle der Produkte unterscheiden sich hauptsächlich nach dem Substitutionsgrad und der Viskosität.
Die verschiedenen Hydroxyethylcellulose-Varianten werden in normal dispergierende, schnell dispergierende und biologisch stabile Typen unterteilt. Hinsichtlich der Anwendung kann Hydroxyethylcellulose in verschiedenen Phasen des Beschichtungsprozesses zugegeben werden. Schnell dispergierende Varianten können direkt als Trockenpulver hinzugefügt werden. Der pH-Wert des Systems vor der Zugabe sollte jedoch unter 7 liegen, da sich Hydroxyethylcellulose bei niedrigem pH-Wert langsam löst und ausreichend Zeit hat, dass Wasser in die Partikel eindringt. Durch Anheben des pH-Werts wird die Auflösung beschleunigt. Alternativ kann eine Klebstofflösung mit der gewünschten Konzentration hergestellt und dem Beschichtungssystem zugegeben werden.
HydroxypropylmethylcelluloseEs handelt sich um ein Produkt, das durch den Austausch der Hydroxylgruppe an der Glucoseeinheit natürlicher Cellulose gegen eine Methoxygruppe und den Austausch des restlichen Teils gegen eine Hydroxypropylgruppe gewonnen wird. Seine Verdickungswirkung entspricht im Wesentlichen der von Hydroxyethylcellulose. Es ist enzymbeständig, jedoch weniger wasserlöslich als Hydroxyethylcellulose und neigt beim Erhitzen zum Gelieren. Oberflächenbehandelte Hydroxypropylmethylcellulose kann direkt in Wasser gelöst werden. Nach dem Rühren und Dispergieren wird alkalische Substanz wie Ammoniakwasser zugegeben, um den pH-Wert auf 8–9 einzustellen. Anschließend wird weiter gerührt, bis sich die Cellulose vollständig gelöst hat. Unbehandelte Hydroxypropylmethylcellulose kann vor Gebrauch in über 85 °C heißem Wasser eingeweicht und gequollen werden. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wird sie mit kaltem oder Eiswasser verrührt, bis sie sich vollständig gelöst hat.
②Anorganisches Verdickungsmittel
Dieses Verdickungsmittel besteht hauptsächlich aus aktivierten Tonprodukten wie Bentonit, Magnesium-Aluminium-Silikatton usw. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es neben der Verdickungswirkung auch eine gute Suspensionswirkung besitzt, das Absinken verhindert und die Wasserbeständigkeit der Beschichtung nicht beeinträchtigt. Nach dem Trocknen und Aushärten des Films dient es als Füllstoff im Beschichtungsfilm. Ein Nachteil ist, dass es die Verlaufseigenschaften der Beschichtung erheblich beeinträchtigen kann.
③ Synthetisches Polymerverdickungsmittel
Synthetische Polymerverdicker werden hauptsächlich in Acryl und Polyurethan (assoziative Verdicker) eingesetzt. Acrylverdicker sind meist Acrylpolymere mit Carboxylgruppen. In Wasser mit einem pH-Wert von 8–10 dissoziiert die Carboxylgruppe und quillt auf; bei einem pH-Wert über 10 löst sie sich im Wasser und verliert ihre verdickende Wirkung. Die Verdickungswirkung ist daher sehr pH-abhängig.
Der Verdickungsmechanismus des Acrylatverdickers beruht darauf, dass sich seine Partikel an der Oberfläche der Latexpartikel in der Farbe adsorbieren und nach der Alkaliquellung eine Beschichtung bilden. Dies erhöht das Volumen der Latexpartikel, behindert deren Brownsche Molekularbewegung und steigert die Viskosität des Farbsystems. Zweitens erhöht die Quellung des Verdickers die Viskosität der Wasserphase.
(2) Einfluss des Verdickungsmittels auf die Beschichtungseigenschaften
Der Einfluss der Art des Verdickungsmittels auf die rheologischen Eigenschaften der Beschichtung ist wie folgt:
Mit zunehmender Menge an Verdickungsmittel steigt die statische Viskosität der Farbe deutlich an, und der Trend der Viskositätsänderung ist im Wesentlichen konstant, wenn sie einer äußeren Scherkraft ausgesetzt wird.
Durch die Wirkung des Verdickungsmittels sinkt die Viskosität der Farbe bei Einwirkung von Scherkräften rapide ab, was auf Pseudoplastizität hinweist.
Bei Verwendung eines hydrophob modifizierten Celluloseverdickers (wie z. B. EBS451FQ) ist die Viskosität auch bei hohen Scherraten und großen Mengen noch hoch.
Bei Verwendung assoziativer Polyurethanverdicker (wie z. B. WT105A) ist die Viskosität auch bei hohen Schergeschwindigkeiten und großen Mengen noch hoch.
Bei Verwendung von Acrylverdickern (wie z. B. ASE60) steigt die statische Viskosität zwar schnell an, wenn die Menge groß ist, die Viskosität nimmt jedoch bei einer höheren Schergeschwindigkeit schnell ab.
3. Assoziatives Verdickungsmittel
(1) Verdickungsmechanismus
Celluloseether und alkaliquellbare Acrylverdicker können nur die Wasserphase verdicken, haben aber keine verdickende Wirkung auf andere Komponenten der wasserbasierten Farbe und können auch keine signifikante Wechselwirkung zwischen den Pigmenten in der Farbe und den Partikeln der Emulsion bewirken, sodass die Rheologie der Farbe nicht angepasst werden kann.
Assoziative Verdickungsmittel zeichnen sich dadurch aus, dass sie neben der Verdickung durch Hydratation auch durch Assoziationen untereinander, mit dispergierten Partikeln und mit anderen Systemkomponenten verdicken. Diese Assoziationen lösen sich bei hohen Scherraten und bilden sich bei niedrigen Scherraten neu, wodurch die Rheologie der Beschichtung angepasst werden kann.
Der Verdickungsmechanismus des assoziativen Verdickungsmittels beruht darauf, dass sein Molekül eine lineare hydrophile Kette bildet – ein Polymerkomplex mit lipophilen Gruppen an beiden Enden. Es besitzt also sowohl hydrophile als auch hydrophobe Gruppen und weist daher die Eigenschaften von Tensidmolekülen auf. Solche Verdickungsmittelmoleküle können nicht nur hydratisieren und quellen, um die Wasserphase zu verdicken, sondern bilden auch Mizellen, sobald die Konzentration ihrer wässrigen Lösung einen bestimmten Wert überschreitet. Die Mizellen assoziieren mit den Polymerpartikeln der Emulsion und den Pigmentpartikeln, die das Dispergiermittel adsorbiert haben, und bilden eine dreidimensionale Netzwerkstruktur. Durch die Vernetzung und Verknäuelung dieser Mizellen wird die Viskosität des Systems erhöht.
Entscheidender ist jedoch, dass sich diese Assoziationen in einem dynamischen Gleichgewicht befinden und die assoziierten Mizellen ihre Positionen unter dem Einfluss äußerer Kräfte anpassen können, sodass die Beschichtung nivellierende Eigenschaften aufweist. Da das Molekül zudem mehrere Mizellen besitzt, verringert diese Struktur die Migrationstendenz von Wassermolekülen und erhöht somit die Viskosität der wässrigen Phase.
(2) Die Rolle bei Beschichtungen
Die meisten assoziativen Verdickungsmittel sind Polyurethane mit relativen Molekulargewichten zwischen 10³ und 10⁴, also zwei Größenordnungen niedriger als die von herkömmlichen Polyacrylsäure- und Celluloseverdickungsmitteln mit relativen Molekulargewichten zwischen 10⁵ und 10⁶. Aufgrund des niedrigen Molekulargewichts ist die effektive Volumenzunahme nach der Hydratation geringer, wodurch die Viskositätskurve flacher verläuft als die von nicht-assoziativen Verdickungsmitteln.
Aufgrund des niedrigen Molekulargewichts des assoziativen Verdickungsmittels ist dessen intermolekulare Verschlaufung in der Wasserphase begrenzt, wodurch sein verdickender Effekt auf die Wasserphase gering ist. Im Bereich niedriger Scherraten überwiegt die Assoziationskonversion zwischen den Molekülen deren Dissoziationsauflösung. Das Gesamtsystem bleibt in einem inhärenten Suspensions- und Dispersionszustand, und die Viskosität liegt nahe an der Viskosität des Dispersionsmediums (Wasser). Daher bewirkt das assoziative Verdickungsmittel, dass das wasserbasierte Lacksystem im Bereich niedriger Scherraten eine geringere scheinbare Viskosität aufweist.
Assoziative Verdickungsmittel erhöhen die potenzielle Energie zwischen den Molekülen aufgrund der Assoziation der Partikel in der dispergierten Phase. Dadurch wird bei hohen Scherraten mehr Energie benötigt, um die Assoziation zwischen den Molekülen aufzubrechen, und die Scherkraft, die zur Erzielung derselben Scherverformung erforderlich ist, ist ebenfalls größer. Das System weist daher bei hohen Scherraten eine höhere scheinbare Viskosität auf. Die höhere Viskosität bei hohen Scherraten und die niedrigere Viskosität bei niedrigen Scherraten können die Defizite herkömmlicher Verdickungsmittel hinsichtlich der rheologischen Eigenschaften der Farbe ausgleichen. Das heißt, die beiden Verdickungsmittel können kombiniert werden, um die Fließfähigkeit der Latexfarbe anzupassen und so die Anforderungen an Dickschicht- und Filmbeschichtungen zu erfüllen.
Veröffentlichungsdatum: 28. April 2024