1. Definizione e funzione dell'addensatore
Gli additivi che possono aumentare significativamente la viscosità delle vernici a base d'acqua sono chiamati addensanti.
Gli addensanti svolgono un ruolo importante nella produzione, nello stoccaggio e nella realizzazione di rivestimenti.
La funzione principale dell'addensante è quella di aumentare la viscosità del rivestimento per soddisfare i requisiti delle diverse fasi di utilizzo. Tuttavia, la viscosità richiesta dal rivestimento nelle diverse fasi è differente. Ad esempio:
Durante il processo di conservazione, è auspicabile avere un'elevata viscosità per evitare che il pigmento si depositi;
Durante il processo di costruzione, è auspicabile avere una viscosità moderata per garantire che la vernice abbia una buona stendibilità a pennello senza macchiare eccessivamente;
Dopo la costruzione, si spera che la viscosità possa tornare rapidamente a un valore elevato dopo un breve intervallo di tempo (processo di livellamento) per evitare cedimenti.
La fluidità dei rivestimenti a base d'acqua è non newtoniana.
Quando la viscosità della vernice diminuisce all'aumentare della forza di taglio, si dice che si tratta di un fluido pseudoplastico, e la maggior parte delle vernici sono fluidi pseudoplastici.
Quando il comportamento di flusso di un fluido pseudoplastico è correlato alla sua storia, ovvero è dipendente dal tempo, viene detto fluido tissotropico.
Nella produzione di rivestimenti, spesso cerchiamo consapevolmente di renderli tissotropici, ad esempio aggiungendo additivi.
Quando la tissotropia del rivestimento è adeguata, è possibile risolvere le contraddizioni delle varie fasi di applicazione del rivestimento e soddisfare le esigenze tecniche di diversa viscosità del rivestimento nelle fasi di stoccaggio, livellamento e asciugatura.
Alcuni addensanti possono conferire alla vernice un'elevata tissotropia, in modo che abbia una maggiore viscosità a riposo o a basso tasso di taglio (come durante lo stoccaggio o il trasporto), impedendo così la sedimentazione del pigmento. Al contrario, ad alto tasso di taglio (come nel processo di verniciatura), la viscosità si riduce, garantendo una sufficiente fluidità e uniformità al rivestimento.
La tissotropia è rappresentata dall'indice tissotropico TI e misurata dal viscosimetro Brookfield.
TI = viscosità (misurata a 6 giri/min) / viscosità (misurata a 60 giri/min)
2. Tipologie di addensanti e loro effetti sulle proprietà del rivestimento
(1) Tipologie In termini di composizione chimica, gli addensanti si dividono in due categorie: organici e inorganici.
I tipi inorganici includono bentonite, attapulgite, silicato di alluminio e magnesio, silicato di litio e magnesio, ecc., e tipi organici come metilcellulosa, idrossietilcellulosa, poliacrilato, polimetacrilato, acido acrilico o metil acrilico omopolimero o copolimero e poliuretano, ecc.
Dal punto di vista dell'influenza sulle proprietà reologiche dei rivestimenti, gli addensanti si dividono in addensanti tissotropici e addensanti associativi. In termini di requisiti prestazionali, la quantità di addensante deve essere ridotta e l'effetto addensante deve essere buono; non deve essere facilmente degradabile dagli enzimi; quando la temperatura o il valore del pH del sistema cambiano, la viscosità del rivestimento non deve ridursi significativamente e il pigmento e il riempitivo non devono flocculare; deve avere una buona stabilità di conservazione; una buona ritenzione idrica, nessun evidente fenomeno di schiumatura e nessun effetto negativo sulle prestazioni del film di rivestimento.
①Addensante di cellulosa
Gli addensanti a base di cellulosa utilizzati nei rivestimenti sono principalmente metilcellulosa, idrossietilcellulosa e idrossipropilmetilcellulosa, e gli ultimi due sono i più comunemente impiegati.
L'idrossietilcellulosa è un prodotto ottenuto sostituendo i gruppi idrossilici presenti sulle unità di glucosio della cellulosa naturale con gruppi idrossietilici. Le specifiche e le tipologie di prodotto si distinguono principalmente in base al grado di sostituzione e alla viscosità.
Le varietà di idrossietilcellulosa si dividono in tipo a dissoluzione normale, tipo a rapida dispersione e tipo a stabilità biologica. Per quanto riguarda il metodo di utilizzo, l'idrossietilcellulosa può essere aggiunta in diverse fasi del processo di produzione del rivestimento. Il tipo a rapida dispersione può essere aggiunto direttamente sotto forma di polvere secca. Tuttavia, il valore del pH del sistema prima dell'aggiunta deve essere inferiore a 7, principalmente perché l'idrossietilcellulosa si dissolve lentamente a bassi valori di pH, dando così all'acqua il tempo sufficiente per infiltrarsi all'interno delle particelle; successivamente, il valore del pH viene aumentato per accelerarne la dissoluzione. È possibile utilizzare la stessa procedura anche per preparare una soluzione adesiva a una determinata concentrazione e aggiungerla al sistema di rivestimento.
IdrossipropilmetilcellulosaÈ un prodotto ottenuto sostituendo il gruppo idrossilico sull'unità di glucosio della cellulosa naturale con un gruppo metossilico, mentre l'altra parte viene sostituita da un gruppo idrossipropilico. Il suo effetto addensante è sostanzialmente lo stesso di quello dell'idrossietilcellulosa. È resistente alla degradazione enzimatica, ma la sua solubilità in acqua non è buona come quella dell'idrossietilcellulosa e presenta lo svantaggio di gelificare se riscaldata. Per l'idrossipropilmetilcellulosa trattata superficialmente, può essere aggiunta direttamente all'acqua al momento dell'uso. Dopo aver mescolato e disperso, aggiungere sostanze alcaline come acqua ammoniacale per regolare il valore del pH a 8-9 e mescolare fino a completa dissoluzione. Per l'idrossipropilmetilcellulosa non trattata superficialmente, può essere immersa e gonfiata in acqua calda a oltre 85 °C prima dell'uso, quindi raffreddata a temperatura ambiente e infine mescolata con acqua fredda o acqua ghiacciata per dissolverla completamente.
②Addensante inorganico
Questo tipo di addensante è costituito principalmente da prodotti a base di argilla attivata, come bentonite, silicato di magnesio e alluminio, ecc. Si caratterizza per il fatto che, oltre all'effetto addensante, possiede anche un buon effetto sospensivante, previene l'affondamento e non compromette la resistenza all'acqua del rivestimento. Dopo l'essiccazione e la formazione di una pellicola, agisce come riempitivo all'interno del film di rivestimento. Lo svantaggio è che può influire significativamente sulla livellatura del rivestimento.
③ Addensante polimerico sintetico
Gli addensanti polimerici sintetici sono utilizzati principalmente nelle resine acriliche e poliuretaniche (addensanti associativi). Gli addensanti acrilici sono per lo più polimeri acrilici contenenti gruppi carbossilici. In acqua con un valore di pH compreso tra 8 e 10, il gruppo carbossilico si dissocia e si gonfia; quando il valore di pH è superiore a 10, si dissolve in acqua e perde l'effetto addensante, quindi l'effetto addensante è molto sensibile al valore di pH.
Il meccanismo di addensamento dell'addensante acrilico consiste nell'adsorbimento delle sue particelle sulla superficie delle particelle di lattice presenti nella vernice, formando uno strato di rivestimento dopo il rigonfiamento alcalino. Questo strato aumenta il volume delle particelle di lattice, ostacola il moto browniano delle particelle e incrementa la viscosità del sistema di vernice. In secondo luogo, il rigonfiamento dell'addensante aumenta la viscosità della fase acquosa.
(2) Influenza dell'addensante sulle proprietà del rivestimento
L'effetto del tipo di addensante sulle proprietà reologiche del rivestimento è il seguente:
All'aumentare della quantità di addensante, la viscosità statica della vernice aumenta significativamente e l'andamento della variazione di viscosità è sostanzialmente costante se sottoposto a una forza di taglio esterna.
Grazie all'effetto addensante, la viscosità della vernice diminuisce rapidamente quando viene sottoposta a forze di taglio, manifestando pseudoplasticità.
Utilizzando un addensante a base di cellulosa modificata idrofobicamente (come EBS451FQ), ad alti tassi di taglio, la viscosità rimane elevata anche quando la quantità è grande.
Utilizzando addensanti poliuretanici associativi (come WT105A), ad alti tassi di taglio, la viscosità rimane elevata anche quando la quantità è grande.
Utilizzando addensanti acrilici (come ASE60), sebbene la viscosità statica aumenti rapidamente quando la quantità è elevata, la viscosità diminuisce rapidamente a una velocità di taglio più elevata.
3. Addensante associativo
(1) meccanismo di ispessimento
Gli addensanti a base di etere di cellulosa e acrilico rigonfiabile in ambiente alcalino possono addensare solo la fase acquosa, ma non hanno alcun effetto addensante sugli altri componenti della pittura a base d'acqua, né possono causare interazioni significative tra i pigmenti della pittura e le particelle dell'emulsione, pertanto non è possibile regolare la reologia della pittura.
Gli addensanti associativi si caratterizzano per il fatto che, oltre ad addensarsi per idratazione, si addensano anche attraverso associazioni tra di loro, con particelle disperse e con altri componenti del sistema. Questa associazione si dissocia ad alti tassi di taglio e si riassocia a bassi tassi di taglio, consentendo di regolare la reologia del rivestimento.
Il meccanismo di addensamento dell'addensante associativo risiede nel fatto che la sua molecola è una catena idrofila lineare, un composto polimerico con gruppi lipofili a entrambe le estremità, ovvero presenta gruppi idrofili e idrofobi nella sua struttura, acquisendo così le caratteristiche di una molecola tensioattiva. Tali molecole di addensante non solo possono idratarsi e gonfiarsi per addensare la fase acquosa, ma anche formare micelle quando la concentrazione della loro soluzione acquosa supera un certo valore. Le micelle possono associarsi alle particelle polimeriche dell'emulsione e alle particelle di pigmento che hanno adsorbito il disperdente, formando una struttura reticolare tridimensionale, interconnessa e intrecciata, che aumenta la viscosità del sistema.
Ancora più importante è che queste associazioni si trovano in uno stato di equilibrio dinamico e che le micelle associate possono regolare la propria posizione se sottoposte a forze esterne, conferendo così al rivestimento proprietà autolivellanti. Inoltre, poiché la molecola è composta da diverse micelle, questa struttura riduce la tendenza delle molecole d'acqua a migrare, aumentando di conseguenza la viscosità della fase acquosa.
(2) Il ruolo nei rivestimenti
La maggior parte degli addensanti associativi sono poliuretani, e i loro pesi molecolari relativi sono compresi tra 10³ e 10⁴ ordini di grandezza, due ordini di grandezza inferiori rispetto ai comuni addensanti a base di acido poliacrilico e cellulosa, che hanno pesi molecolari relativi compresi tra 10⁵ e 10⁶. A causa del basso peso molecolare, l'aumento di volume effettivo dopo l'idratazione è minore, quindi la loro curva di viscosità è più piatta rispetto a quella degli addensanti non associativi.
A causa del basso peso molecolare dell'addensante associativo, il suo intreccio intermolecolare nella fase acquosa è limitato, pertanto il suo effetto addensante sulla fase acquosa non è significativo. Nell'intervallo di bassa velocità di taglio, la conversione delle associazioni tra le molecole è maggiore della distruzione delle associazioni tra le molecole, l'intero sistema mantiene uno stato intrinseco di sospensione e dispersione e la viscosità è vicina alla viscosità del mezzo disperdente (acqua). Pertanto, l'addensante associativo fa sì che il sistema di vernice a base d'acqua mostri una viscosità apparente inferiore quando si trova nella regione di bassa velocità di taglio.
Gli addensanti associativi aumentano l'energia potenziale tra le molecole a causa dell'associazione tra le particelle nella fase dispersa. In questo modo, è necessaria più energia per rompere l'associazione tra le molecole ad alti tassi di taglio, e la forza di taglio richiesta per ottenere la stessa deformazione di taglio è maggiore, in modo che il sistema mostri un tasso di taglio più elevato ad alti tassi di taglio. Viscosità apparente. L'elevata viscosità ad alto taglio e la bassa viscosità a basso taglio possono compensare la mancanza di addensanti comuni nelle proprietà reologiche della vernice, ovvero i due addensanti possono essere utilizzati in combinazione per regolare la fluidità della vernice al lattice. Prestazioni variabili, per soddisfare i requisiti completi del rivestimento in film spesso e flusso del film di rivestimento.
Data di pubblicazione: 28 aprile 2024