המדריך התמציתי ביותר לטכנולוגיית עיבוי צבע על בסיס מים

1. הגדרה ותפקיד של מעבה

תוספים שיכולים להגביר משמעותית את הצמיגות של צבעים על בסיס מים נקראים מעבים.

לחומרים מעבים תפקיד חשוב בייצור, אחסון ובנייה של ציפויים.

התפקיד העיקרי של המעבה הוא להגביר את צמיגות הציפוי כדי לעמוד בדרישות שלבי שימוש שונים. עם זאת, הצמיגות הנדרשת מהציפוי בשלבים שונים שונה. לדוגמה:

במהלך תהליך האחסון, רצוי שתהיה צמיגות גבוהה כדי למנוע מהפיגמנט לשקוע;

במהלך תהליך הבנייה, רצוי שתהיה צמיגות בינונית כדי להבטיח שהצבע יהיה בעל יכולת הברשה טובה ללא כתמי צבע מוגזמים;

לאחר הבנייה, יש לקוות שהצמיגות תוכל לחזור במהירות לצמיגות גבוהה לאחר השהיית זמן קצר (תהליך יישור) כדי למנוע שקיעה.

הנזילות של ציפויים על בסיס מים אינה ניוטונית.

כאשר צמיגות הצבע יורדת עם עליית כוח הגזירה, הוא נקרא נוזל פסאודופלסטי, ורוב הצבע הוא נוזל פסאודופלסטי.

כאשר התנהגות הזרימה של נוזל פסאודופלסטי קשורה להיסטוריה שלו, כלומר, היא תלוית זמן, הוא נקרא נוזל טיקסוטרופי.

בעת ייצור ציפויים, אנו מנסים לעתים קרובות באופן מודע להפוך את הציפויים לתיקסוטרופיים, כגון הוספת תוספים.

כאשר התיקסוטרופיה של הציפוי מתאימה, היא יכולה לפתור את הסתירות של שלבי הציפוי השונים, ולענות על הצרכים הטכניים של צמיגות שונה של הציפוי בשלבי האחסון, יישור הבנייה והייבוש.

חלק מהמעבים יכולים להעניק לצבע תיקסוטרופיה גבוהה, כך שתהיה לו צמיגות גבוהה יותר במנוחה או בקצב גזירה נמוך (כגון אחסון או הובלה), כדי למנוע מהפיגמנט בצבע לשקוע. ובקצב גזירה גבוה (כגון תהליך ציפוי), יש לו צמיגות נמוכה, כך שלציפוי יש זרימה ויישור מספקים.

טיקסוטרופיה מיוצגת על ידי אינדקס טיקסוטרופי TI ונמדדת באמצעות ויסקומטר ברוקפילד.

TI = צמיגות (נמדדת ב-6 סל"ד) / צמיגות (נמדדת ב-60 סל"ד)

2. סוגי מעבים והשפעתם על תכונות הציפוי

(1) סוגים מבחינת הרכב כימי, מסמיכים מחולקים לשתי קטגוריות: אורגניים ואנאורגניים.

סוגים אנאורגניים כוללים בנטוניט, אטאפולגיט, אלומיניום-מגנזיום סיליקט, ליתיום-מגנזיום סיליקט וכו', סוגים אורגניים כגון מתיל תאית, הידרוקסי-אתיל תאית, פוליאקרילט, פולימתאקרילט, חומצה אקרילית או מתיל-אקרילי, הומופולימר או קופולימר ופוליאוריתן וכו'.

מנקודת מבט של ההשפעה על התכונות הריאולוגיות של ציפויים, חומרי העיבוי מחולקים לסוגי מעבים טיקסוטרופיים ומעבים אסוציאטיביים. מבחינת דרישות הביצועים, כמות החומר העיבוי צריכה להיות קטנה יותר ואפקט העיבוי טוב; הוא אינו נשחק בקלות על ידי אנזימים; כאשר הטמפרטורה או ערך ה-pH של המערכת משתנים, צמיגות הציפוי לא תפחת משמעותית, והפיגמנט והמילוי לא ייווצרו פלוקולציה. יציבות אחסון טובה; שמירה טובה על מים, ללא תופעת הקצפה ברורה וללא השפעות שליליות על ביצועי סרט הציפוי.

①מעבה תאית

מעבי התאית המשמשים בציפויים הם בעיקר מתילצלולוז, הידרוקסי-אתילצלולוז והידרוקסיפרופיל-מתילצלולוז, ושני האחרונים נפוצים יותר.

הידרוקסיאתיל תאית הוא מוצר המתקבל על ידי החלפת קבוצות ההידרוקסיל על יחידות הגלוקוז של תאית טבעית בקבוצות הידרוקסיאתיל. המפרטים והדגמים של המוצרים נבדלים בעיקר לפי מידת ההחלפה והצמיגות.

סוגי התאית הידרוקסיאתיל מחולקים גם לסוגים של התמוססות רגילה, סוג פיזור מהיר וסוג יציבות ביולוגית. מבחינת שיטת השימוש, ניתן להוסיף תאית הידרוקסיאתיל בשלבים שונים בתהליך ייצור הציפוי. ניתן להוסיף את הסוג בעל הפיזור המהיר ישירות בצורת אבקה יבשה. עם זאת, ערך ה-pH של המערכת לפני ההוספה צריך להיות נמוך מ-7, בעיקר משום שתאית הידרוקסיאתיל מתמוססת לאט בערכי pH נמוכים, ויש מספיק זמן למים לחדור לחלקיקים, ולאחר מכן ערך ה-pH עולה כדי לגרום לה להתמוסס במהירות. ניתן גם להשתמש בשלבים מתאימים כדי להכין ריכוז מסוים של תמיסת דבק ולהוסיפה למערכת הציפוי.

הידרוקסיפרופיל מתילצלולוזהוא מוצר המתקבל על ידי החלפת קבוצת ההידרוקסיל על יחידת הגלוקוז של תאית טבעית בקבוצת מתוקסי, בעוד שהחלק השני מוחלף בקבוצת הידרוקסיפרופיל. אפקט העיבוי שלו זהה בעיקרו לזו של הידרוקסיאתיל תאית. והוא עמיד בפני פירוק אנזימטי, אך מסיסותו במים אינה טובה כמו זו של הידרוקסיאתיל תאית, ויש לו את החיסרון של ג'ל בעת חימום. עבור הידרוקסיפרופיל מתיל תאית שטופלה על פני השטח, ניתן להוסיף אותה ישירות למים בעת השימוש. לאחר ערבוב ופיזור, הוסיפו חומרים אלקליים כגון מי אמוניה כדי להתאים את ערך ה-pH ל-8-9, וערבבו עד להמסה מלאה. עבור הידרוקסיפרופיל מתיל תאית ללא טיפול פני השטח, ניתן להשרות אותה ולהתנפח במים חמים מעל 85 מעלות צלזיוס לפני השימוש, ולאחר מכן לקרר לטמפרטורת החדר, ולאחר מכן לערבב עם מים קרים או מי קרח כדי להמיס אותה לחלוטין.

② מעבה אנאורגני

סוג זה של מעבה מורכב בעיקר ממוצרי חימר פעיל, כגון בנטוניט, חימר מגנזיום אלומיניום סיליקט וכו'. הוא מאופיין בכך שבנוסף לאפקט העיבוי, יש לו גם אפקט מתלה טוב, יכול למנוע שקיעה, ואינו משפיע על עמידות הציפוי למים. לאחר שהציפוי מתייבש ויוצר שכבה, הוא משמש כחומר מילוי בסרט הציפוי וכו'. הגורם השלילי הוא שהוא ישפיע באופן משמעותי על יישור הציפוי.

③ מעבה פולימרי סינתטי

מעבים פולימריים סינתטיים משמשים בעיקר באקריליק ופוליאוריטן (מעבים אסוציאטיביים). מעבים אקריליים הם בעיקר פולימרים אקריליים המכילים קבוצות קרבוקסיל. במים עם ערך pH של 8-10, קבוצת הקרבוקסיל מתפרקת ומתנפחת; כאשר ערך ה-pH גבוה מ-10, היא מתמוססת במים ומאבדת את אפקט המעבה, כך שאפקט המעבה רגיש מאוד לערך ה-pH.

מנגנון ההעבה של מעבה האקרילט הוא שחלקיקיו יכולים להיספג על פני חלקיקי הלטקס בצבע, וליצור שכבת ציפוי לאחר התנפחות אלקלית, מה שמגדיל את נפח חלקיקי הלטקס, מעכב את התנועה הבראונית של החלקיקים ומגביר את צמיגות מערכת הצבע. שנית, התנפחות המעבה מגבירה את צמיגות פאזת המים.

(2) השפעת חומר מעבה על תכונות הציפוי

השפעת סוג המעבה על התכונות הריאולוגיות של הציפוי היא כדלקמן:

כאשר כמות המעבה עולה, הצמיגות הסטטית של הצבע עולה משמעותית, ומגמת שינוי הצמיגות עקבית בעיקרון כאשר הוא נתון לכוח גזירה חיצוני.

עם השפעת המעבה, צמיגות הצבע יורדת במהירות כאשר הוא נתון לכוח גזירה, דבר המראה פסאודופלסטיות.

באמצעות מעבה תאית שעבר שינוי הידרופובי (כגון EBS451FQ), בקצבי גזירה גבוהים, הצמיגות עדיין גבוהה כאשר הכמות גדולה.

באמצעות מעבי פוליאוריטן אסוציאטיביים (כגון WT105A), בקצבי גזירה גבוהים, הצמיגות עדיין גבוהה כאשר הכמות גדולה.

באמצעות מעבים אקריליים (כגון ASE60), למרות שהצמיגות הסטטית עולה במהירות כאשר הכמות גדולה, הצמיגות יורדת במהירות בקצב גזירה גבוה יותר.

3. מעבה אסוציאטיבי

(1) מנגנון עיבוי

אתר תאית ומעבים אקריליים מתנפחים בבסיס יכולים רק לעבות את הפאזה המיתרית, אך אין להם השפעה מעבה על רכיבים אחרים בצבע על בסיס מים, וגם לא יכולים לגרום לאינטראקציה משמעותית בין הפיגמנטים בצבע לחלקיקי האמולסיה, כך שלא ניתן להתאים את הריאולוגיה של הצבע.

מעבים אסוציאטיביים מאופיינים בכך שבנוסף לעיבוי באמצעות הידרציה, הם גם מעבים באמצעות קשרים בינם לבין עצמם, עם חלקיקים מפוזרים ועם רכיבים אחרים במערכת. קשר זה מתנתק בקצבי גזירה גבוהים ומתחבר מחדש בקצבי גזירה נמוכים, מה שמאפשר להתאים את הריאולוגיה של הציפוי.

מנגנון העיבוי של המעבה האסוציאטיבי הוא שהמולקולה שלו היא שרשרת הידרופילית ליניארית, תרכובת פולימר עם קבוצות ליפופיליות בשני הקצוות, כלומר, יש לה קבוצות הידרופיליות והידרופוביות במבנה, ולכן יש לה מאפיינים של מולקולות פעילי שטח. מולקולות מעבה כאלה יכולות לא רק להתייבשות ולהתנפח כדי לעבות את הפאזה המיתרית, אלא גם ליצור מיצלות כאשר ריכוז התמיסה המימית שלהן עולה על ערך מסוים. המיצלות יכולות להתחבר לחלקיקי הפולימר של האמולסיה ולחלקיקי הפיגמנט שספגו את חומר הפיזור כדי ליצור מבנה רשת תלת-ממדי, והן מחוברות ומסתבכות כדי להגביר את צמיגות המערכת.

חשוב מכך, שהקשרים הללו נמצאים במצב של איזון דינמי, והמיצלים הקשורים יכולים להתאים את מיקומם כאשר הם נתונים לכוחות חיצוניים, כך שלציפוי יש תכונות יישור. בנוסף, מכיוון שלמולקולה יש מספר מיצלות, מבנה זה מפחית את הנטייה של מולקולות מים לנדוד ובכך מגביר את צמיגות הפאזה המימית.

(2) התפקיד בציפויים

רוב המעבים האסוציאטיביים הם פוליאוריטאנים, ומשקליהם המולקולריים היחסיים נעים בין 103-104 בסדרי גודל, נמוך בשני סדרי גודל מאשר מעבים של חומצה פוליאקרילית רגילה ותאית עם משקלים מולקולריים יחסיים בין 105-106. בשל המשקל המולקולרי הנמוך, עליית הנפח האפקטיבית לאחר הידרציה קטנה יותר, כך שעקומת הצמיגות שלהם שטוחה יותר מזו של מעבים לא אסוציאטיביים.

בשל המשקל המולקולרי הנמוך של המעבה האסוציאטיבי, ההסתבכות הבין-מולקולרית שלו בפאזה המים מוגבלת, ולכן השפעת העיבוי שלו על פאזה המים אינה משמעותית. בטווח קצב גזירה נמוך, המרת האסוציאציה בין המולקולות גדולה מהרס האסוציאציה בין המולקולות, המערכת כולה שומרת על מצב השעיה ופיזור אינהרנטי, והצמיגות קרובה לצמיגות של תווך הפיזור (מים). לכן, המעבה האסוציאטיבי גורם למערכת הצבע על בסיס מים להציג צמיגות נראית נמוכה יותר כאשר היא נמצאת באזור קצב הגזירה הנמוך.

מעבים אסוציאטיביים מגדילים את האנרגיה הפוטנציאלית בין מולקולות עקב הקשר בין חלקיקים בשלב המפוזר. בדרך זו, נדרשת יותר אנרגיה כדי לשבור את הקשר בין מולקולות בקצבי גזירה גבוהים, וכוח הגזירה הנדרש להשגת אותו מאמץ גזירה גדול יותר, כך שהמערכת מציגה קצב גזירה גבוה יותר בקצבי גזירה גבוהים. צמיגות נראית לעין. צמיגות גזירה גבוהה יותר וצמיגות גזירה נמוכה נמוכה יותר יכולות לפצות על היעדר מעבים נפוצים בתכונות הריאולוגיות של הצבע, כלומר, ניתן להשתמש בשני המעבים בשילוב כדי להתאים את נוזליות צבע הלטקס. ביצועים משתנים, כדי לעמוד בדרישות המקיפות של ציפוי לשכבה עבה וזרימת סרט הציפוי.