1. Definición y función del espesante
Los aditivos que pueden aumentar significativamente la viscosidad de las pinturas a base de agua se denominan espesantes.
Los espesantes juegan un papel importante en la producción, almacenamiento y construcción de recubrimientos.
La función principal del espesante es aumentar la viscosidad del recubrimiento para cumplir con los requisitos de las diferentes etapas de uso. Sin embargo, la viscosidad requerida por el recubrimiento varía según la etapa. Por ejemplo:
Durante el proceso de almacenamiento, es deseable tener una alta viscosidad para evitar que el pigmento se asiente;
Durante el proceso de construcción, es deseable tener una viscosidad moderada para garantizar que la pintura tenga una buena brochabilidad sin manchas excesivas;
Después de la construcción, se espera que la viscosidad pueda volver rápidamente a un valor alto después de un breve período de tiempo (proceso de nivelación) para evitar el hundimiento.
La fluidez de los recubrimientos a base de agua no es newtoniana.
Cuando la viscosidad de la pintura disminuye con el aumento de la fuerza de corte, se denomina fluido pseudoplástico, y la mayor parte de la pintura es un fluido pseudoplástico.
Cuando el comportamiento del flujo de un fluido pseudoplástico está relacionado con su historia, es decir, depende del tiempo, se denomina fluido tixotrópico.
Al fabricar recubrimientos, a menudo intentamos conscientemente hacerlos tixotrópicos, por ejemplo añadiendo aditivos.
Cuando la tixotropía del recubrimiento es adecuada, puede resolver las contradicciones de las distintas etapas del recubrimiento y satisfacer las necesidades técnicas de las diferentes viscosidades del recubrimiento en las etapas de almacenamiento, nivelación de construcción y secado.
Algunos espesantes pueden dotar a la pintura de una alta tixotropía, lo que le confiere una mayor viscosidad en reposo o a baja velocidad de cizallamiento (como durante el almacenamiento o el transporte), evitando así la sedimentación del pigmento. A alta velocidad de cizallamiento (como en procesos de recubrimiento), presenta una baja viscosidad, lo que permite una fluidez y nivelación adecuadas.
La tixotropía está representada por el índice tixotrópico TI y se mide con un viscosímetro Brookfield.
TI=viscosidad (medida a 6 r/min)/viscosidad (medida a 60 r/min)
2. Tipos de espesantes y sus efectos en las propiedades del recubrimiento.
(1) Tipos En términos de composición química, los espesantes se dividen en dos categorías: orgánicos e inorgánicos.
Los tipos inorgánicos incluyen bentonita, atapulgita, silicato de aluminio y magnesio, silicato de litio y magnesio, etc., tipos orgánicos como metilcelulosa, hidroxietilcelulosa, poliacrilato, polimetacrilato, ácido acrílico u homopolímero o copolímero de metil acrílico y poliuretano, etc.
Desde la perspectiva de su influencia en las propiedades reológicas de los recubrimientos, los espesantes se dividen en tixotrópicos y asociativos. En cuanto a sus requisitos de rendimiento, se requiere una menor cantidad de espesante para un buen efecto espesante; no se erosiona fácilmente por enzimas; al variar la temperatura o el pH del sistema, la viscosidad del recubrimiento no se reduce significativamente y el pigmento y el relleno no se floculan. Presentan buena estabilidad de almacenamiento; buena retención de agua, sin formación de espuma evidente ni efectos adversos en el rendimiento de la película de recubrimiento.
①Espesante de celulosa
Los espesantes de celulosa utilizados en recubrimientos son principalmente metilcelulosa, hidroxietilcelulosa e hidroxipropilmetilcelulosa, siendo estos dos últimos los más utilizados.
La hidroxietilcelulosa es un producto que se obtiene sustituyendo los grupos hidroxilo de las unidades de glucosa de la celulosa natural por grupos hidroxietilo. Las especificaciones y modelos de los productos se diferencian principalmente por el grado de sustitución y la viscosidad.
Las variedades de hidroxietilcelulosa se dividen en de disolución normal, de dispersión rápida y de estabilidad biológica. En cuanto a su método de uso, la hidroxietilcelulosa puede añadirse en diferentes etapas del proceso de producción del recubrimiento. La de dispersión rápida puede añadirse directamente en forma de polvo seco. Sin embargo, el pH del sistema antes de la adición debe ser inferior a 7, principalmente porque la hidroxietilcelulosa se disuelve lentamente a pH bajo y hay tiempo suficiente para que el agua se filtre en el interior de las partículas. Posteriormente, se aumenta el pH para que se disuelva rápidamente. También se pueden utilizar los pasos correspondientes para preparar una solución de pegamento a cierta concentración y añadirla al sistema de recubrimiento.
HidroxipropilmetilcelulosaEs un producto que se obtiene reemplazando el grupo hidroxilo de la unidad de glucosa de la celulosa natural por un grupo metoxi, mientras que la otra parte se reemplaza por un grupo hidroxipropilo. Su efecto espesante es básicamente el mismo que el de la hidroxietilcelulosa. Es resistente a la degradación enzimática, pero su solubilidad en agua no es tan buena como la de la hidroxietilcelulosa y presenta la desventaja de gelificarse al calentarse. La hidroxipropilmetilcelulosa con tratamiento superficial se puede añadir directamente al agua. Tras agitar y dispersar, se añaden sustancias alcalinas como agua amoniacal para ajustar el pH a 8-9 y se agita hasta su completa disolución. La hidroxipropilmetilcelulosa sin tratamiento superficial se puede remojar e hinchar con agua caliente a más de 85 °C antes de su uso, y luego enfriar a temperatura ambiente. Finalmente, se agita con agua fría o agua helada para su completa disolución.
②Espesante inorgánico
Este tipo de espesante se compone principalmente de productos arcillosos activados, como bentonita, arcilla de silicato de magnesio y aluminio, etc. Se caracteriza por su efecto espesante, que además de su buen efecto de suspensión, previene el hundimiento y no afecta la impermeabilidad del recubrimiento. Una vez seco y formado el recubrimiento, actúa como relleno en la película. Su desventaja es que afecta significativamente la nivelación del recubrimiento.
③ Espesante de polímero sintético
Los espesantes poliméricos sintéticos se utilizan principalmente en acrílicos y poliuretanos (espesantes asociativos). Los espesantes acrílicos son principalmente polímeros acrílicos que contienen grupos carboxilo. En agua con un pH de 8 a 10, el grupo carboxilo se disocia y se hincha; cuando el pH es superior a 10, se disuelve en agua y pierde su efecto espesante, por lo que este es muy sensible al pH.
El mecanismo de espesamiento del espesante de acrilato es que sus partículas pueden adsorberse en la superficie de las partículas de látex en la pintura y formar una capa de recubrimiento después del hinchamiento alcalino, lo que aumenta el volumen de las partículas de látex, obstaculiza el movimiento browniano de las partículas y aumenta la viscosidad del sistema de pintura.; En segundo lugar, el hinchamiento del espesante aumenta la viscosidad de la fase acuosa.
(2) Influencia del espesante en las propiedades del recubrimiento
El efecto del tipo de espesante sobre las propiedades reológicas del recubrimiento es el siguiente:
Cuando aumenta la cantidad de espesante, la viscosidad estática de la pintura aumenta significativamente y la tendencia de cambio de viscosidad es básicamente constante cuando se somete a una fuerza de corte externa.
Con el efecto del espesante, la viscosidad de la pintura cae rápidamente cuando se somete a una fuerza de corte, mostrando pseudoplasticidad.
Utilizando un espesante de celulosa modificado hidrofóbicamente (como EBS451FQ), a altas velocidades de cizallamiento, la viscosidad aún es alta cuando la cantidad es grande.
Al utilizar espesantes de poliuretano asociativos (como WT105A), a altas velocidades de cizallamiento, la viscosidad aún es alta cuando la cantidad es grande.
Al utilizar espesantes acrílicos (como ASE60), aunque la viscosidad estática aumenta rápidamente cuando la cantidad es grande, la viscosidad disminuye rápidamente a una mayor velocidad de cizallamiento.
3. Espesante asociativo
(1) mecanismo de espesamiento
Los espesantes acrílicos hinchables con éter de celulosa y álcali solo pueden espesar la fase acuosa, pero no tienen ningún efecto espesante sobre otros componentes de la pintura a base de agua, ni pueden provocar una interacción significativa entre los pigmentos de la pintura y las partículas de la emulsión, por lo que la reología de la pintura no se puede ajustar.
Los espesantes asociativos se caracterizan porque, además de espesar por hidratación, también lo hacen mediante asociaciones entre sí, con partículas dispersas y con otros componentes del sistema. Esta asociación se disocia a altas velocidades de cizallamiento y se reasocia a bajas, lo que permite ajustar la reología del recubrimiento.
El mecanismo de espesamiento del espesante asociativo reside en que su molécula es una cadena hidrófila lineal, un compuesto polimérico con grupos lipófilos en ambos extremos. Es decir, presenta grupos hidrófilos e hidrófobos en su estructura, por lo que posee las características de las moléculas surfactantes. Estas moléculas no solo pueden hidratarse e hincharse para espesar la fase acuosa, sino también formar micelas cuando la concentración de su solución acuosa supera un valor determinado. Las micelas pueden asociarse con las partículas poliméricas de la emulsión y las partículas de pigmento que han adsorbido el dispersante para formar una estructura de red tridimensional, y se interconectan y entrelazan para aumentar la viscosidad del sistema.
Lo más importante es que estas asociaciones se encuentran en equilibrio dinámico, y las micelas asociadas pueden ajustar su posición al ser sometidas a fuerzas externas, lo que confiere al recubrimiento propiedades niveladoras. Además, al tener la molécula varias micelas, esta estructura reduce la tendencia de las moléculas de agua a migrar y, por lo tanto, aumenta la viscosidad de la fase acuosa.
(2) El papel en los recubrimientos
La mayoría de los espesantes asociativos son poliuretanos, con pesos moleculares relativos de entre 10⁻¹ y 10⁻¹ órdenes de magnitud, dos órdenes de magnitud inferiores a los de los espesantes convencionales de ácido poliacrílico y celulosa, con pesos moleculares relativos de entre 10⁻¹ y 10⁻¹. Debido a su bajo peso molecular, el aumento de volumen efectivo tras la hidratación es menor, por lo que su curva de viscosidad es más plana que la de los espesantes no asociativos.
Debido al bajo peso molecular del espesante asociativo, su entrelazamiento intermolecular en la fase acuosa es limitado, por lo que su efecto espesante en dicha fase no es significativo. En el rango de baja velocidad de cizallamiento, la conversión de asociación entre moléculas es mayor que su destrucción, el sistema completo mantiene un estado inherente de suspensión y dispersión, y la viscosidad es cercana a la del medio de dispersión (agua). Por lo tanto, el espesante asociativo hace que el sistema de pintura a base de agua presente una viscosidad aparente menor en el rango de baja velocidad de cizallamiento.
Los espesantes asociativos aumentan la energía potencial entre moléculas debido a la asociación entre partículas en la fase dispersa. De esta manera, se requiere mayor energía para romper la asociación entre moléculas a altas velocidades de cizallamiento, y la fuerza de cizallamiento requerida para alcanzar la misma deformación por cizallamiento también es mayor, de modo que el sistema exhibe una mayor velocidad de cizallamiento a altas velocidades de cizallamiento. Viscosidad aparente. La mayor viscosidad de alto cizallamiento y la menor viscosidad de bajo cizallamiento pueden compensar la falta de espesantes comunes en las propiedades reológicas de la pintura; es decir, ambos espesantes pueden usarse en combinación para ajustar la fluidez de la pintura de látex. Rendimiento variable para satisfacer los requisitos integrales de recubrimiento en película gruesa y flujo de película de recubrimiento.
Hora de publicación: 28 de abril de 2024