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 desempeñan un papel importante en la producción, el almacenamiento y la 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 en las diferentes etapas es diferente. Por ejemplo:
Durante el proceso de almacenamiento, es deseable que tenga una viscosidad alta para evitar que el pigmento se sedimente;
Durante el proceso de construcción, es deseable que la pintura tenga una viscosidad moderada para asegurar que se pueda aplicar bien con brocha sin manchar en exceso;
Tras la construcción, se espera que la viscosidad vuelva rápidamente a un nivel alto después de un breve período de latencia (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 al aumentar la fuerza de corte, se la denomina fluido pseudoplástico, y la mayor parte de la pintura es un fluido pseudoplástico.
Cuando el comportamiento de flujo de un fluido pseudoplástico está relacionado con su historial, es decir, depende del tiempo, se le denomina fluido tixotrópico.
Al fabricar recubrimientos, a menudo intentamos conscientemente que sean tixotrópicos, por ejemplo, añadiendo aditivos.
Cuando la tixotropía del recubrimiento es la adecuada, puede resolver las contradicciones de las distintas etapas del recubrimiento y satisfacer las necesidades técnicas de la diferente viscosidad del recubrimiento en las etapas de almacenamiento, nivelación durante la construcción y secado.
Algunos espesantes pueden dotar a la pintura de una alta tixotropía, de modo que tenga una mayor viscosidad en reposo o a baja velocidad de cizallamiento (como durante el almacenamiento o el transporte), evitando así que el pigmento se sedimente. A alta velocidad de cizallamiento (como en el proceso de recubrimiento), presenta una baja viscosidad, lo que permite que el recubrimiento tenga suficiente fluidez y uniformidad.
La tixotropía se representa mediante 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 sobre 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., los tipos orgánicos como metilcelulosa, hidroxietilcelulosa, poliacrilato, polimetacrilato, ácido acrílico o homopolímero o copolímero de metilacrilato y poliuretano, etc.
Desde la perspectiva de su influencia en las propiedades reológicas de los recubrimientos, los espesantes se dividen en espesantes tixotrópicos y espesantes asociativos. En cuanto a los requisitos de rendimiento, deben requerir poca cantidad de espesante y un buen efecto espesante; ser resistentes a la degradación por enzimas; que la viscosidad del recubrimiento no se reduzca significativamente ante cambios de temperatura o pH, evitando la floculación del pigmento y el relleno; y presentar una buena estabilidad de almacenamiento, buena retención de agua, ausencia de formación de espuma evidente y sin efectos adversos en el rendimiento de la película de recubrimiento.
① Espesante de celulosa
Los espesantes de celulosa utilizados en los recubrimientos son principalmente metilcelulosa, hidroxietilcelulosa e hidroxipropilmetilcelulosa, siendo los dos últimos los más utilizados.
La hidroxietilcelulosa es un producto que se obtiene al sustituir los grupos hidroxilo de las unidades de glucosa de la celulosa natural por grupos hidroxietilo. Las especificaciones y los modelos de este producto se distinguen principalmente por el grado de sustitución y la viscosidad.
Las variedades de hidroxietilcelulosa se dividen en tipo de disolución normal, tipo de dispersión rápida y tipo de estabilidad biológica. En cuanto al método de uso, la hidroxietilcelulosa se puede añadir en diferentes etapas del proceso de producción del recubrimiento. El tipo de dispersión rápida se puede añadir 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 penetre en el interior de las partículas. Posteriormente, se aumenta el pH para acelerar la disolución. También se pueden utilizar pasos similares para preparar una solución adhesiva de cierta concentración y añadirla al sistema de recubrimiento.
Hidroxipropilmetilcelulosaes un producto obtenido al reemplazar el grupo hidroxilo en la unidad de glucosa de la celulosa natural con un grupo metoxi, mientras que la otra parte se reemplaza con un grupo hidroxipropilo. Su efecto espesante es básicamente el mismo que el de la hidroxietilcelulosa. Y es resistente a la degradación enzimática, pero su solubilidad en agua no es tan buena como la de la hidroxietilcelulosa, y tiene la desventaja de gelificarse al calentarse. Para la hidroxipropilmetilcelulosa con tratamiento superficial, se puede agregar directamente al agua cuando se usa. Después de agitar y dispersar, agregar sustancias alcalinas como agua amoniacal para ajustar el valor de pH a 8-9, y agitar hasta que el pH se disuelva por completo. Para la hidroxipropilmetilcelulosa sin tratamiento superficial, se puede remojar e hinchar con agua caliente por encima de 85 °C antes de usar, luego enfriar a temperatura ambiente, luego agitar con agua fría o agua con hielo para disolverla por completo.
② Espesante inorgánico
Este tipo de espesante se compone principalmente de arcillas activadas, como bentonita, silicato de magnesio y aluminio, etc. Se caracteriza porque, además de espesar, posee una buena capacidad de suspensión, previene el hundimiento y no afecta la resistencia al agua del recubrimiento. Una vez seco y formado el recubrimiento, actúa como relleno en la película. Sin embargo, su desventaja radica en que afecta significativamente la nivelación del recubrimiento.
③ Espesante de polímero sintético
Los espesantes de polímeros sintéticos se utilizan principalmente en acrílicos y poliuretanos (espesantes asociativos). Los espesantes acrílicos son en su mayoría 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 supera 10, se disuelve en agua y pierde su efecto espesante, por lo que este efecto es muy sensible al pH.
El mecanismo de espesamiento del espesante de acrilato consiste en que sus partículas se adsorben en la superficie de las partículas de látex de la pintura y forman una capa de recubrimiento tras la hinchazón alcalina, lo que aumenta el volumen de las partículas de látex, dificulta el movimiento browniano de las partículas y aumenta la viscosidad del sistema de pintura. En segundo lugar, la hinchazón 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 la viscosidad es básicamente constante cuando se somete a una fuerza de corte externa.
Debido al efecto espesante, la viscosidad de la pintura disminuye rápidamente cuando se somete a una fuerza de corte, mostrando pseudoplasticidad.
Al utilizar un espesante de celulosa modificado hidrofóbicamente (como el EBS451FQ), a altas velocidades de cizallamiento, la viscosidad sigue siendo alta cuando la cantidad es grande.
Al utilizar espesantes de poliuretano asociativos (como el WT105A), a altas velocidades de cizallamiento, la viscosidad sigue siendo alta cuando la cantidad es grande.
Al utilizar espesantes acrílicos (como el ASE60), si bien 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 de éter de celulosa e hinchables con álcalis solo pueden espesar la fase acuosa, pero no tienen ningún efecto espesante sobre otros componentes de la pintura a base de agua, ni pueden causar una interacción significativa entre los pigmentos de la pintura y las partículas de la emulsión, por lo que no se puede ajustar la reología de la pintura.
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 vuelve a asociar a bajas velocidades de cizallamiento, lo que permite ajustar la reología del recubrimiento.
El mecanismo de espesamiento del espesante asociativo radica en que su molécula es una cadena hidrofílica lineal, un compuesto polimérico con grupos lipofílicos en ambos extremos; es decir, posee grupos hidrófilos e hidrófobos en su estructura, lo que le confiere características de surfactante. Estas moléculas espesantes no solo se hidratan e hinchan para aumentar el espesor de la fase acuosa, sino que también forman micelas cuando la concentración de su solución acuosa supera un cierto valor. Las micelas se asocian con las partículas poliméricas de la emulsión y las partículas de pigmento que han adsorbido el dispersante, formando una red tridimensional interconectada que incrementa la viscosidad del sistema.
Lo más importante es que estas asociaciones se encuentran en un estado de equilibrio dinámico, y las micelas asociadas pueden ajustar su posición al ser sometidas a fuerzas externas, lo que confiere al recubrimiento propiedades autonivelantes. Además, dado que la molécula presenta varias micelas, esta estructura reduce la tendencia de las moléculas de agua a migrar, incrementando así la viscosidad de la fase acuosa.
(2) El papel en los recubrimientos
La mayoría de los espesantes asociativos son poliuretanos, y sus pesos moleculares relativos se encuentran entre 10³ y 10⁴ órdenes de magnitud, dos órdenes de magnitud inferiores a los de los espesantes comunes de ácido poliacrílico y celulosa, cuyos pesos moleculares relativos se sitúan entre 10⁵ y 10⁶. 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 supera la destrucción de la asociación entre ellas, manteniendo el sistema un estado inherente de suspensión y dispersión, y con una viscosidad cercana a la del medio de dispersión (agua). Por consiguiente, el espesante asociativo hace que el sistema de pintura a base de agua presente una menor viscosidad aparente en la región 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 necesita más energía para romper la asociación entre moléculas a altas velocidades de cizallamiento, y la fuerza de cizallamiento requerida para lograr la misma deformación por cizallamiento también es mayor, por lo que el sistema exhibe una mayor velocidad de cizallamiento a altas velocidades de cizallamiento. Viscosidad aparente. La mayor viscosidad a alto cizallamiento y la menor viscosidad a bajo cizallamiento pueden compensar la falta de espesantes comunes en las propiedades reológicas de la pintura, es decir, los dos espesantes pueden usarse en combinación para ajustar la fluidez de la pintura de látex. Rendimiento variable, para cumplir con los requisitos integrales de recubrimiento en película gruesa y flujo de película de recubrimiento.
Fecha de publicación: 28 de abril de 2024