סודות התוספים לציפויים על בסיס מים

תַקצִיר:

1. חומר הרטבה ופיזור

2. מסיר קצף

3. מעבה

4. תוספים ליצירת שכבות

5. חומר נגד קורוזיה, נגד טחב ואצות

6. תוספים אחרים

1 חומר הרטבה ופיזור:

ציפויים על בסיס מים משתמשים במים כממס או כמדיום פיזור, ולמים יש קבוע דיאלקטרי גדול, ולכן ציפויים על בסיס מים מיוצבים בעיקר על ידי דחייה אלקטרוסטטית כאשר השכבה החשמלית הכפולה חופפת. בנוסף, במערכת ציפוי על בסיס מים, ישנם לעתים קרובות פולימרים וחומרים פעילי שטח לא יוניים, אשר נספחים על פני השטח של חומר המילוי הפיגמנט, ויוצרים הפרעה סטרילית ומייצבים את הפיזור. לכן, צבעים ואמולסיות על בסיס מים משיגים תוצאות יציבות באמצעות פעולה משותפת של דחייה אלקטרוסטטית והפרעה סטרילית. החיסרון שלהם הוא עמידות אלקטרוליטים ירודה, במיוחד עבור אלקטרוליטים יקרים.

1.1 חומר הרטבה

חומרי הרטבה לציפויים על בסיס מים מחולקים לאניוניים ולא-יוניים.

השילוב של חומר הרטבה וחומר פיזור יכול להשיג תוצאות אידיאליות. כמות חומר הרטבה היא בדרך כלל כמה לאלף. ההשפעה השלילית שלו היא הקצפה והפחתת עמידות המים של סרט הציפוי.

אחת ממגמות הפיתוח של חומרי הרטבה היא החלפה הדרגתית של חומרי הרטבה מפוליאוקסיאתילן אלקיל (בנזן) פנול אתר (APEO או APE), מכיוון שהם מובילים להפחתת הורמונים זכריים בחולדות ומפריעים לתפקוד האנדוקריני. פוליאוקסיאתילן אלקיל (בנזן) פנול אתר נמצאים בשימוש נרחב כמתחלבים במהלך פילמור אמולסיה.

חומרים פעילי שטח תאומים הם גם פיתוחים חדשים. מדובר בשתי מולקולות אמפיפיליות המחוברות ביניהן באמצעות מרווח. המאפיין הבולט ביותר של חומרים פעילי שטח בעלי תאים תאיים הוא שריכוז המיצלה הקריטי (CMC) נמוך ביותר מסדר גודל מזה של חומרים פעילי שטח בעלי "תא בודד" שלהם, ואחריו יעילות גבוהה. כמו TEGO Twin 4000, זהו חומר פעיל שטח בעל תאים תאיים סילוקסאן, ובעל תכונות קצף והסרת הקצפה לא יציבות.

חברת אייר פרודקטס פיתחה חומרים פעילי שטח מסוג ג'מיני. לחומרים פעילי שטח מסורתיים יש זנב הידרופובי וראש הידרופילי, אך לחומר פעיל שטח חדש זה יש שתי קבוצות הידרופיליות ושתיים או שלוש קבוצות הידרופוביות, והוא חומר פעיל שטח רב-תכליתי, המכונה אצטילן גליקולים, מוצרים כמו EnviroGem AD01.

1.2 חומר פיזור

מפזרים לצבע לטקס מחולקים לארבע קטגוריות: מפזרים פוספטים, מפזרים הומופולימרים פוליאמציים, מפזרים קופולימרים פוליאמציים ומפזרים אחרים.

חומרי פיזור הפוספט הנפוצים ביותר הם פוליפוספטים, כגון נתרן הקסמטאפוספט, נתרן פוליפוספט (Calgon N, תוצרת חברת BK Giulini Chemical בגרמניה), אשלגן טריפוליפוספט (KTPP) וטטראאשלגן פירופוספט (TKPP). מנגנון פעולתו הוא ייצוב דחייה אלקטרוסטטית באמצעות קשרי מימן וספיחה כימית. יתרונו הוא שהמינון נמוך, כ-0.1%, ויש לו אפקט פיזור טוב על פיגמנטים אנאורגניים וחומרי מילוי. אך ישנם גם חסרונות: אחד מהם, יחד עם עליית ערך ה-pH והטמפרטורה, פוליפוספט מתפרק בקלות להידרוליזה, מה שגורם ליציבות גרועה באחסון לטווח ארוך; המסה לא מלאה במדיום תשפיע על הברק של צבע לטקס מבריק.

מפזרים של אסטר פוספט הם תערובות של מונואסטרים, דיאסטרים, אלכוהולים שיוריים וחומצה זרחתית.

פיזורי פוספט אסטר מייצבים פיזורי פיגמנט, כולל פיגמנטים ריאקטיביים כגון תחמוצת אבץ. בניסוחים של צבע מבריק, הם משפרים את הברק ואת יכולת הניקוי. שלא כמו תוספי הרטבה ופיזור אחרים, הוספת פיזורי פוספט אסטר אינה משפיעה על צמיגות ה-KU וה-ICI של הציפוי.

פיזור הומופולימר פוליאסידי, כגון Tamol 1254 ו- Tamol 850, Tamol 850 הוא הומופולימר של חומצה מתאקרילית. פיזור קופולימר פוליאסידי, כגון Orotan 731A, שהוא קופולימר של דיאיזובוטילן וחומצה מאלית. המאפיינים של שני סוגי פיזורים אלה הם שהם מייצרים ספיחה חזקה או עיגון על פני השטח של פיגמנטים וחומרי מילוי, בעלי שרשראות מולקולריות ארוכות יותר ליצירת הפרעה סטרילית, ובעלי מסיסות במים בקצות השרשרת, וחלקם משלימים דחייה אלקטרוסטטית כדי להשיג תוצאות יציבות. כדי שהפיזור יהיה בעל פיזור טוב, יש לשלוט בקפדנות במשקל המולקולרי. אם המשקל המולקולרי קטן מדי, לא יהיה הפרעה סטרילית מספקת; אם המשקל המולקולרי גדול מדי, תתרחש פלוקולציה. עבור פיזורי פוליאקרילט, ניתן להשיג את אפקט הפיזור הטוב ביותר אם דרגת הפולימריזציה היא 12-18.

לסוגים אחרים של חומרי פיזור, כגון AMP-95, יש שם כימי של 2-אמינו-2-מתיל-1-פרופנול. קבוצת האמינו נספחת על פני השטח של החלקיקים האנאורגניים, וקבוצת ההידרוקסיל משתרעת עד למים, אשר ממלאים תפקיד מייצב באמצעות הפרעה סטרילית. בשל גודלם הקטן, הפרעה סטרילית מוגבלת. AMP-95 הוא בעיקר מווסת pH.

בשנים האחרונות, המחקר על חומרי פיזור התגבר על בעיית ההפתתה הנגרמת ממשקל מולקולרי גבוה, ופיתוח משקל מולקולרי גבוה הוא אחת המגמות. לדוגמה, חומר הפיזור בעל המשקל המולקולרי הגבוה EFKA-4580 המיוצר על ידי פולימריזציה של אמולסיה פותח במיוחד עבור ציפויים תעשייתיים על בסיס מים, מתאים לפיזור פיגמנטים אורגניים ואנאורגניים, ובעל עמידות טובה למים.

לקבוצות אמינו יש זיקה טובה לפיגמנטים רבים באמצעות קשרי חומצה-בסיס או קשרי מימן. ניתן דגש על פיזור קופולימר בלוק עם חומצה אמינואקרילית כקבוצת עיגון.

פיזור עם דימתילאמינואתיל מתאקרילט כקבוצת עיגון

תוסף הרטבה ופיזור Tego Dispers 655 משמש בצבעי רכב על בסיס מים לא רק כדי לכוון את הפיגמנטים אלא גם כדי למנוע מאבקת האלומיניום להגיב עם מים.

עקב חששות סביבתיים, פותחו חומרי הרטבה ופיזור מתכלים, כגון חומרי הרטבה ופיזור תאיים מסדרת EnviroGem AE, שהם חומרי הרטבה ופיזור בעלי קצף נמוך.

2 מסיר קצף:

ישנם סוגים רבים של מסירי קצף מסורתיים לצבע על בסיס מים, המחולקים בדרך כלל לשלוש קטגוריות: מסירי קצף משמנים מינרליים, מסירי קצף מפוליסילוקסן ומסירי קצף אחרים.

מסירי קצף המבוססים על שמנים מינרליים נמצאים בשימוש נפוץ, בעיקר בצבעי לטקס שטוחים וחצי מבריקים.

למניעת הקצפה מפוליסילוקסן יש מתח פנים נמוך, יכולות הסרת הקצפה והפחתת הקצפה חזקות, והם אינם משפיעים על הברק, אך כאשר משתמשים בהם בצורה לא נכונה, הם יגרמו לפגמים כגון הצטמקות שכבת הציפוי ויכולת ציפוי חוזרת לקויה.

מסירי קצף מסורתיים של צבע על בסיס מים אינם תואמים לשלב המים כדי להשיג את מטרת הסרת הקצף, ולכן קל לייצר פגמים על פני השטח בסרט הציפוי.

בשנים האחרונות פותחו חומרים המפחיתים קצף ברמה המולקולרית.

חומר נוגד הקצפה זה הוא פולימר הנוצר על ידי השתלת חומרים פעילים נוגדי הקצפה ישירות על חומר הנשא. השרשרת המולקולרית של הפולימר כוללת קבוצת הידרוקסיל מרטיבית, החומר הפעיל נוגד הקצפה מפוזר סביב המולקולה, החומר הפעיל אינו מתקבץ בקלות, והתאימות למערכת הציפוי טובה. נוגדי הקצפה ברמה המולקולרית הללו כוללים שמנים מינרליים - סדרת FoamStar A10, פולימרים המכילים סיליקון - סדרת FoamStar A30, ופולימרים שאינם סיליקון, שאינם שמן - סדרת FoamStar MF.

כמו כן, דווח כי נוגד הקצפה ברמה המולקולרית הזה משתמש בפולימרים כוכבים מורכבים-על כחומרים פעילי שטח שאינם תואמים, והשיג תוצאות טובות ביישומי ציפוי על בסיס מים. נוגד הקצפה ברמה המולקולרית של Air Products שדווח על ידי Stout ואחרים הוא חומר לבקרת קצף ומוגד הקצפה מבוסס אצטילן גליקול עם תכונות הרטבה, כגון Surfynol MD 20 ו-Surfynol DF 37.

בנוסף, על מנת לענות על הצרכים של ייצור ציפויים ללא VOC, קיימים גם מסירי קצף ללא VOC, כגון Agitan 315, Agitan E 255 וכו'.

3 מעבים:

ישנם סוגים רבים של מעבים, כיום הנפוצים הם מעבים של אתר תאית ונגזרותיו, מעבים אסוציאטיביים הניתנים להתנפחות אלקלית (HASE) ומעבים של פוליאוריטן (HEUR).

3.1. אתר תאית ונגזרותיו

הידרוקסיאתיל תאית (HEC) יוצרה לראשונה באופן תעשייתי על ידי חברת יוניון קרביד בשנת 1932, ויש לה היסטוריה של יותר מ-70 שנה. כיום, מעבים של אתר תאית ונגזרותיו כוללים בעיקר הידרוקסיאתיל תאית (HEC), מתיל הידרוקסיאתיל תאית (MHEC), אתיל הידרוקסיאתיל תאית (EHEC), מתיל הידרוקסיפרופיל תאית (MHPC), מתיל תאית (MC) וקסנטן גאם ועוד. אלה מעבים לא יוניים, וגם שייכים לסוג של מעבים לא-יוניים בפאזה מימית. ביניהם, HEC הוא הנפוץ ביותר בצבעי לטקס.

תאית שעברה שינוי הידרופובי (HMHEC) מכניסה כמות קטנה של קבוצות אלקיל הידרופוביות ארוכות שרשרת על גבי עמוד השדרה ההידרופילי של התאית כדי להפוך לחומר מעבה אסוציאטיבי, כגון Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100. אפקט העיבוי שלה דומה לזו של מעמיכי אתר תאית בעלי משקל מולקולרי גדול בהרבה. היא משפרת את הצמיגות והיישור של ICI, ומפחיתה את מתח הפנים, כגון מתח הפנים של HEC הוא כ-67mN/m, ומתח הפנים של HMHEC הוא 55-65mN/m.

3.2 מעבה אלקלי מתנפח

מעבים אלקליים מתנפחים מחולקים לשתי קטגוריות: מעבים אלקליים לא אסוציאטיביים (ASE) ומעבים אלקליים אסוציאטיביים (HASE), שהם מעבים אניוניים. ASE לא קשור הוא אמולסיה מתנפחת אלקלית של פוליאקרילט. HASE אסוציאטיבי הוא אמולסיה מתנפחת אלקלית של פוליאקרילט שעברה שינוי הידרופובי.

3.3. מעבה פוליאוריטן ומעבה שאינו פוליאוריטן שעבר שינוי הידרופובי

מעבה פוליאוריטן, המכונה HEUR, הוא פולימר מסיס במים של פוליאוריטן שעבר שינוי אתוקסילציה בקבוצות הידרופוביות, השייך לקבוצת מעבה אסוציאטיבית לא יונית. HEUR מורכב משלושה חלקים: קבוצה הידרופובית, שרשרת הידרופילית וקבוצת פוליאוריטן. לקבוצה ההידרופובית תפקיד אסוציאטיבי והיא הגורם המכריע לעיבוי, בדרך כלל אוליל, אוקטדציל, דודצילפניל, נונילפנול וכו'. השרשרת ההידרופילית יכולה לספק יציבות כימית ויציבות צמיגות, נפוץ בשימוש הם פוליאתרים, כגון פוליאוקסיאתילן ונגזרותיו. שרשרת המולקולות של HEUR מורחבת על ידי קבוצות פוליאוריטן, כגון IPDI, TDI ו-HMDI. המאפיין המבני של מעבים אסוציאטיביים הוא שהם מסתיימים על ידי קבוצות הידרופוביות. עם זאת, מידת ההחלפה של קבוצות הידרופוביות בשני הקצוות של חלק מה-HEURs הזמינים מסחרית נמוכה מ-0.9, והאופטימלי הוא רק 1.7. יש לשלוט בקפדנות בתנאי התגובה כדי להשיג מעבה פוליאוריטן עם התפלגות משקל מולקולרי צר וביצועים יציבים. רוב ה-HEUR מסונתזים על ידי פולימריזציה שלבית, כך ש-HEURs הזמינים מסחרית הם בדרך כלל תערובות בעלות משקלים מולקולריים רחבים.

ריצ'י ועמיתיו השתמשו במסמיך אסוציאטיבי פירן מסוג PAT (PAT, משקל מולקולרי ממוצע מספרי 30000, משקל מולקולרי ממוצע משקלי 60000) וגילו שבריכוז של 0.02% (משקל), דרגת הצבירה של המיצלות של Acrysol RM-825 ו-PAT הייתה כ-6. אנרגיית האסוציאציה בין המסמיך לפני השטח של חלקיקי הלטקס היא כ-25 קילו-ג'אול/מול; השטח שתופס כל מולקולת מסמיך PAT על פני השטח של חלקיקי הלטקס הוא כ-13 ננומטר רבוע, שהוא בערך השטח שתופס חומר ההרטבה Triton X-405 פי 14 מזה של 0.9 ננומטר רבוע. מסמיך פוליאוריטן אסוציאטיבי כגון RM-2020NPR, DSX 1550 וכו'.

פיתוח מעבי פוליאוריטן אסוציאטיביים ידידותיים לסביבה זכה לתשומת לב נרחבת. לדוגמה, BYK-425 הוא מעבה פוליאוריטן שעבר שינוי אוריאה ללא VOC ו-APEO. Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 ו-3060 הם. זהו מעבה פוליאוריטן אסוציאטיבי ללא VOC ו-APEO.

בנוסף למסמיכי פוליאוריטן אסוציאטיביים ליניאריים שתוארו לעיל, קיימים גם מסמיכי פוליאוריטן אסוציאטיביים דמויי מסרק. מסמיך פוליאוריטן אסוציאטיבי מסוג מסרק פירושו שיש קבוצה הידרופובית תלויה במרכז כל מולקולת מסמיך. מסמיכים כגון SCT-200 ו-SCT-275 וכו'.

מעבה אמינופלסט שעבר שינוי הידרופובי (מעבה אמינופלסט אתוקסילטיבי שעבר שינוי הידרופובי - HEAT) משנה את שרף האמינו המיוחד לארבע קבוצות הידרופוביות חסומות, אך הריאקטיביות של ארבעת אתרי התגובה הללו שונה. בתוספת רגילה של קבוצות הידרופוביות, יש רק שתי קבוצות הידרופוביות חסומות, כך שמעבה אמינו סינתטי שעבר שינוי הידרופובי אינו שונה בהרבה מ-HEUR, כמו Optiflo H 500. אם מוסיפים יותר קבוצות הידרופוביות, כמו עד 8%, ניתן להתאים את תנאי התגובה כדי לייצר מעבי אמינו עם מספר קבוצות הידרופוביות חסומות. כמובן, גם זהו מעבה מסרק. מעבה אמינו שעבר שינוי הידרופובי זה יכול למנוע את ירידת צמיגות הצבע עקב הוספת כמות גדולה של חומרים פעילי שטח וממיסי גליקול בעת הוספת התאמת צבע. הסיבה לכך היא שקבוצות הידרופוביות חזקות יכולות למנוע ספיחה, ולקבוצות הידרופוביות מרובות יש קשר חזק. מעבים כאלה כמו Optiflo TVS.

מעבה פוליאתר שעבר שינוי הידרופובי (HMPE) ביצועיו של מעבה פוליאתר שעבר שינוי הידרופובי דומים לאלו של HEUR, והמוצרים כוללים את Aquaflow NLS200, NLS210 ו-NHS300 של הרקולס.

מנגנון העיבוי שלו הוא השפעת קשרי מימן וחיבור של קבוצות קצה. בהשוואה למסמיכים נפוצים, יש לו תכונות טובות יותר נגד שקיעה ומניעת שקיעה. בהתאם לקוטביות השונה של קבוצות הקצה, ניתן לחלק מסמיכי פוליאוריאה שעברו שינוי לשלושה סוגים: מסמיכי פוליאוריאה בעלי קוטביות נמוכה, מסמיכי פוליאוריאה בעלי קוטביות בינונית ומסמיכי פוליאוריאה בעלי קוטביות גבוהה. שני הראשונים משמשים לעיבוי ציפויים מבוססי ממס, בעוד שניתן להשתמש בסמיכי פוליאוריאה בעלי קוטביות גבוהה הן לציפויים מבוססי ממס בעלי קוטביות גבוהה והן לציפויים מבוססי מים. מוצרים מסחריים בעלי קוטביות נמוכה, קוטביות בינונית וקוטביות גבוהה הם BYK-411, BYK-410 ו-BYK-420 בהתאמה.

תרחיף שעוות פוליאמיד מעובד הוא תוסף ריאולוגי המסונתז על ידי הכנסת קבוצות הידרופיליות כגון PEG לשרשרת המולקולרית של שעוות אמיד. כיום, חלק מהמותגים מיובאים ומשמשים בעיקר להתאמת התיקסוטרופיה של המערכת ולשיפור האנטי-תיקסוטרופיה. ביצועים נגד שקיעה.