1. Définition et fonction de l'épaississant
Les additifs qui peuvent augmenter considérablement la viscosité des peintures à base d'eau sont appelés épaississants.
Les épaississants jouent un rôle important dans la production, le stockage et la mise en œuvre des revêtements.
La fonction principale de l'épaississant est d'augmenter la viscosité du revêtement afin de répondre aux exigences des différentes étapes d'utilisation. Cependant, la viscosité requise par le revêtement varie selon les étapes. Par exemple :
Lors du processus de stockage, il est souhaitable d'avoir une viscosité élevée pour empêcher le pigment de se déposer ;
Lors du processus de construction, il est souhaitable d'avoir une viscosité modérée afin de garantir une bonne applicabilité au pinceau de la peinture sans taches excessives ;
Après la construction, on espère que la viscosité pourra rapidement revenir à une valeur élevée après un court délai (processus de nivellement) afin d'éviter l'affaissement.
La fluidité des revêtements à base d'eau est non newtonienne.
Lorsque la viscosité de la peinture diminue avec l'augmentation de la force de cisaillement, on parle de fluide pseudoplastique, et la plupart des peintures sont des fluides pseudoplastiques.
Lorsque le comportement d'écoulement d'un fluide pseudoplastique est lié à son historique, c'est-à-dire qu'il dépend du temps, on parle alors de fluide thixotrope.
Lors de la fabrication de revêtements, nous essayons souvent consciemment de les rendre thixotropes, par exemple en ajoutant des additifs.
Lorsque la thixotropie du revêtement est appropriée, elle peut résoudre les contradictions des différentes étapes du revêtement et répondre aux besoins techniques liés aux différentes viscosités du revêtement lors des phases de stockage, de nivellement et de séchage.
Certains épaississants confèrent à la peinture une thixotropie élevée, lui assurant une viscosité plus importante au repos ou à faible vitesse de cisaillement (lors du stockage ou du transport), et empêchant ainsi la sédimentation des pigments. À vitesse de cisaillement élevée (lors de l'application du revêtement), sa viscosité diminue, garantissant une bonne fluidité et un nivellement optimal.
La thixotropie est représentée par l'indice thixotrope TI et mesurée par un viscosimètre Brookfield.
TI = viscosité (mesurée à 6 tr/min) / viscosité (mesurée à 60 tr/min)
2. Types d'épaississants et leurs effets sur les propriétés des revêtements
(1) Types En termes de composition chimique, les épaississants sont divisés en deux catégories : organiques et inorganiques.
Les types inorganiques comprennent la bentonite, l'attapulgite, le silicate d'aluminium et de magnésium, le silicate de lithium et de magnésium, etc., les types organiques tels que la méthylcellulose, l'hydroxyéthylcellulose, le polyacrylate, le polyméthacrylate, l'acide acrylique ou l'homopolymère ou le copolymère méthylacrylique et le polyuréthane, etc.
Du point de vue de leur influence sur les propriétés rhéologiques des revêtements, les épaississants se divisent en épaississants thixotropes et épaississants associatifs. En termes de performances, l'épaississant doit être utilisé en faible quantité tout en offrant un bon effet épaississant ; il doit être résistant à l'érosion enzymatique ; la viscosité du revêtement ne doit pas diminuer significativement en cas de variation de température ou de pH du système, et les pigments et charges ne doivent pas floculer ; il doit présenter une bonne stabilité au stockage ; une bonne rétention d'eau ; l'absence de moussage notable et d'altération des performances du film de revêtement.
①Épaississant cellulosique
Les épaississants cellulosiques utilisés dans les revêtements sont principalement la méthylcellulose, l'hydroxyéthylcellulose et l'hydroxypropylméthylcellulose, les deux dernières étant les plus couramment utilisées.
L'hydroxyéthylcellulose est un produit obtenu par substitution des groupes hydroxyle des unités de glucose de la cellulose naturelle par des groupes hydroxyéthyle. Les spécifications et les modèles de ces produits se distinguent principalement par leur degré de substitution et leur viscosité.
L'hydroxyéthylcellulose se décline en trois variétés : à dissolution normale, à dispersion rapide et à stabilité biologique. Son utilisation peut être modifiée à différentes étapes du processus de fabrication du revêtement. La variété à dispersion rapide peut être ajoutée directement sous forme de poudre sèche. Toutefois, le pH du milieu réactionnel doit être inférieur à 7 avant l'ajout, car l'hydroxyéthylcellulose se dissout lentement à pH faible. L'eau a ainsi le temps de pénétrer au cœur des particules, ce qui permet ensuite d'augmenter le pH et d'accélérer la dissolution. Il est également possible de préparer une solution adhésive à une concentration donnée et de l'ajouter au système de revêtement.
HydroxypropylméthylcelluloseCe produit est obtenu en remplaçant le groupe hydroxyle de l'unité glucose de la cellulose naturelle par un groupe méthoxy, tandis que l'autre partie est remplacée par un groupe hydroxypropyle. Son pouvoir épaississant est sensiblement le même que celui de l'hydroxyéthylcellulose. Il résiste à la dégradation enzymatique, mais sa solubilité dans l'eau est inférieure à celle de l'hydroxyéthylcellulose et il présente l'inconvénient de gélifier à chaud. L'hydroxypropylméthylcellulose traitée en surface peut être directement ajoutée à l'eau lors de son utilisation. Après agitation et dispersion, ajouter une substance alcaline telle que de l'ammoniaque pour ajuster le pH entre 8 et 9, et agiter jusqu'à dissolution complète. L'hydroxypropylméthylcellulose non traitée en surface peut être trempée dans de l'eau chaude à plus de 85 °C avant utilisation, puis refroidie à température ambiante et enfin dissoute complètement dans de l'eau froide ou glacée.
②Épaissirant inorganique
Ce type d'épaississant est principalement composé de produits argileux activés, tels que la bentonite ou l'argile silico-alumineuse et magnésienne. Il se caractérise par son effet épaississant, son bon pouvoir de suspension, sa capacité à empêcher le dépôt et son innocuité pour l'imperméabilité du revêtement. Après séchage et formation d'un film, il agit comme charge dans le revêtement. Son principal inconvénient réside dans son impact significatif sur la planéité du revêtement.
③ Épaississant polymère synthétique
Les épaississants polymères synthétiques sont principalement utilisés dans les acryliques et les polyuréthanes (épaississants associatifs). Les épaississants acryliques sont majoritairement des polymères acryliques contenant des groupements carboxyle. Dans l'eau, à un pH compris entre 8 et 10, le groupement carboxyle se dissocie et le polymère gonfle ; lorsque le pH est supérieur à 10, il se dissout dans l'eau et perd son pouvoir épaississant. L'effet épaississant est donc très sensible au pH.
Le mécanisme d'épaississement de l'épaississant acrylate repose sur l'adsorption de ses particules à la surface des particules de latex de la peinture. Après gonflement en milieu alcalin, une couche protectrice se forme, augmentant le volume des particules de latex, entravant leur mouvement brownien et accroissant ainsi la viscosité du système pictural. Par ailleurs, le gonflement induit par l'épaississant augmente la viscosité de la phase aqueuse.
(2) Influence de l'épaississant sur les propriétés du revêtement
L'effet du type d'épaississant sur les propriétés rhéologiques du revêtement est le suivant :
Lorsque la quantité d'épaississant augmente, la viscosité statique de la peinture augmente significativement, et la tendance de variation de la viscosité reste globalement constante lorsqu'elle est soumise à une force de cisaillement externe.
Sous l'effet de l'épaississant, la viscosité de la peinture chute rapidement lorsqu'elle est soumise à une force de cisaillement, ce qui témoigne d'une pseudoplasticité.
En utilisant un épaississant cellulosique modifié hydrophobiquement (tel que l'EBS451FQ), à des taux de cisaillement élevés, la viscosité reste élevée même lorsque la quantité est importante.
En utilisant des épaississants polyuréthanes associatifs (tels que le WT105A), à des taux de cisaillement élevés, la viscosité reste élevée même lorsque la quantité est importante.
En utilisant des épaississants acryliques (tels que l'ASE60), bien que la viscosité statique augmente rapidement lorsque la quantité est importante, la viscosité diminue rapidement à un taux de cisaillement plus élevé.
3. Épaississant associatif
(1) mécanisme d'épaississement
Les épaississants à base d'éther de cellulose et d'acryliques gonflables aux alcalis ne peuvent épaissir que la phase aqueuse, mais n'ont aucun effet épaississant sur les autres composants de la peinture à base d'eau, ni ne peuvent provoquer d'interaction significative entre les pigments de la peinture et les particules de l'émulsion ; la rhéologie de la peinture ne peut donc pas être ajustée.
Les épaississants associatifs se caractérisent par le fait qu'en plus de leur épaississement par hydratation, ils s'épaississent également par association entre eux, avec des particules dispersées et avec d'autres composants du système. Cette association se dissocie à des vitesses de cisaillement élevées et se reforme à des vitesses de cisaillement faibles, permettant ainsi d'ajuster la rhéologie du revêtement.
Le mécanisme d'épaississement de l'épaississant associatif repose sur sa molécule, une chaîne hydrophile linéaire, un composé polymère possédant des groupes lipophiles à ses deux extrémités. Autrement dit, sa structure comporte des groupes hydrophiles et hydrophobes, ce qui lui confère les caractéristiques des tensioactifs. Ces molécules épaississantes peuvent non seulement s'hydrater et gonfler pour épaissir la phase aqueuse, mais aussi former des micelles lorsque la concentration de leur solution aqueuse dépasse un certain seuil. Ces micelles peuvent s'associer aux particules de polymère de l'émulsion et aux particules de pigment ayant adsorbé le dispersant pour former une structure de réseau tridimensionnelle. Interconnectées et enchevêtrées, elles augmentent la viscosité du système.
Plus important encore, ces associations sont en équilibre dynamique et les micelles associées peuvent ajuster leur position sous l'effet de forces extérieures, conférant ainsi au revêtement des propriétés de nivellement. De plus, la présence de plusieurs micelles au sein de la molécule réduit la migration des molécules d'eau et augmente ainsi la viscosité de la phase aqueuse.
(2) Le rôle dans les revêtements
La plupart des épaississants associatifs sont des polyuréthanes, et leurs masses moléculaires relatives se situent entre 103 et 104 ordres de grandeur, soit deux ordres de grandeur inférieurs à celles des épaississants ordinaires à base d'acide polyacrylique et de cellulose, dont les masses moléculaires relatives se situent entre 105 et 106. En raison de leur faible masse moléculaire, l'augmentation de volume effective après hydratation est moindre, ce qui explique que leur courbe de viscosité soit plus plate que celle des épaississants non associatifs.
Du fait de sa faible masse moléculaire, l'épaississant associatif limite son enchevêtrement intermoléculaire en phase aqueuse, et son effet épaississant sur cette phase est donc peu significatif. À faible vitesse de cisaillement, la conversion des associations moléculaires est supérieure à leur rupture, le système conserve un état de suspension et de dispersion intrinsèque, et sa viscosité est proche de celle du milieu de dispersion (l'eau). Par conséquent, l'épaississant associatif confère à la peinture aqueuse une viscosité apparente plus faible à faible vitesse de cisaillement.
Les épaississants associatifs augmentent l'énergie potentielle intermoléculaire grâce à l'association des particules en phase dispersée. De ce fait, une plus grande énergie est nécessaire pour rompre ces associations à des vitesses de cisaillement élevées, et la force de cisaillement requise pour obtenir la même déformation est également plus importante. Le système présente donc une viscosité apparente plus élevée à des vitesses de cisaillement élevées. Cette viscosité plus élevée à cisaillement élevé et cette viscosité plus faible à cisaillement faible peuvent compenser les propriétés rhéologiques insuffisantes des épaississants classiques. Ainsi, deux épaississants peuvent être utilisés conjointement pour ajuster la fluidité de la peinture latex et obtenir des performances variables, répondant ainsi aux exigences d'application en film épais et de fluidité.
Date de publication : 28 avril 2024