1. Definitie en functie van verdikkingsmiddel
Additieven die de viscositeit van verf op waterbasis aanzienlijk kunnen verhogen, worden verdikkingsmiddelen genoemd.
Verdikkingsmiddelen spelen een belangrijke rol bij de productie, opslag en verwerking van coatings.
De belangrijkste functie van het verdikkingsmiddel is het verhogen van de viscositeit van de coating om te voldoen aan de eisen van de verschillende gebruiksfasen. De vereiste viscositeit van de coating verschilt echter per fase. Bijvoorbeeld:
Tijdens het opslagproces is een hoge viscositeit wenselijk om te voorkomen dat het pigment bezinkt;
Tijdens het bouwproces is het wenselijk om een gemiddelde viscositeit te hebben, zodat de verf goed te borstelen is zonder overmatige verfvlekken.
Na de constructie is het de bedoeling dat de viscositeit na een korte vertraging (nivelleringsproces) snel weer een hoge viscositeit bereikt om doorzakken te voorkomen.
De vloeibaarheid van coatings op waterbasis is niet-Newtoniaans.
Wanneer de viscositeit van verf afneemt naarmate de schuifkracht toeneemt, spreekt men van een pseudoplastische vloeistof. De meeste verfsoorten zijn pseudoplastisch.
Wanneer het stromingsgedrag van een pseudoplastische vloeistof afhankelijk is van zijn geschiedenis, dat wil zeggen tijdsafhankelijk is, wordt het een thixotrope vloeistof genoemd.
Bij de productie van coatings proberen we vaak bewust de coatings thixotroop te maken, bijvoorbeeld door additieven toe te voegen.
Wanneer de thixotropie van de coating geschikt is, kan dit de tegenstrijdigheden in de verschillende fasen van het coatingproces oplossen en voldoen aan de technische eisen voor de verschillende viscositeiten van de coating tijdens opslag, egalisatie en droging.
Sommige verdikkingsmiddelen kunnen de verf een hoge thixotropie geven, waardoor deze een hogere viscositeit heeft in rust of bij een lage schuifsnelheid (zoals tijdens opslag of transport), om te voorkomen dat het pigment in de verf bezinkt. Bij een hoge schuifsnelheid (zoals tijdens het coaten) heeft de verf een lage viscositeit, zodat de coating voldoende vloeit en zich goed laat egaliseren.
Thixotropie wordt weergegeven door de thixotropie-index TI en gemeten met een Brookfield-viscometer.
TI = viscositeit (gemeten bij 6 tpm) / viscositeit (gemeten bij 60 tpm)
2. Soorten verdikkingsmiddelen en hun effect op de eigenschappen van coatings
(1) Soorten Wat betreft de chemische samenstelling worden verdikkingsmiddelen in twee categorieën verdeeld: organische en anorganische.
Tot de anorganische typen behoren bentoniet, attapulgiet, aluminiummagnesiumsilicaat, lithiummagnesiumsilicaat, enz., en tot de organische typen behoren methylcellulose, hydroxyethylcellulose, polyacrylaat, polymethacrylaat, acrylzuur of methylacrylhomopolymeer of -copolymeer en polyurethaan, enz.
Vanuit het perspectief van de invloed op de reologische eigenschappen van coatings worden verdikkingsmiddelen onderverdeeld in thixotrope en associatieve verdikkingsmiddelen. Wat de prestatie-eisen betreft, moet de hoeveelheid verdikkingsmiddel gering zijn en het verdikkende effect goed; het mag niet gemakkelijk door enzymen worden afgebroken; de viscositeit van de coating mag niet significant afnemen bij veranderingen in temperatuur of pH-waarde van het systeem, en het pigment en de vulstof mogen niet flocculeren; een goede opslagstabiliteit is vereist; een goed waterbindend vermogen, geen duidelijke schuimvorming en geen nadelige effecten op de prestaties van de coatingfilm.
① Celluloseverdikkingsmiddel
De celluloseverdikkingsmiddelen die in coatings worden gebruikt, zijn hoofdzakelijk methylcellulose, hydroxyethylcellulose en hydroxypropylmethylcellulose, waarbij de laatste twee het meest worden gebruikt.
Hydroxyethylcellulose is een product dat wordt verkregen door de hydroxylgroepen op de glucose-eenheden van natuurlijke cellulose te vervangen door hydroxyethylgroepen. De specificaties en modellen van de producten worden hoofdzakelijk onderscheiden op basis van de mate van substitutie en de viscositeit.
De verschillende soorten hydroxyethylcellulose worden onderverdeeld in normaal oplossende, snel dispergerende en biologisch stabiele varianten. Wat de toepassing betreft, kan hydroxyethylcellulose in verschillende stadia van het coatingproductieproces worden toegevoegd. De snel dispergerende variant kan direct in de vorm van droog poeder worden toegevoegd. De pH-waarde van het systeem moet echter vóór toevoeging lager zijn dan 7. Dit komt doordat hydroxyethylcellulose langzaam oplost bij een lage pH-waarde. Hierdoor krijgt water voldoende tijd om in de deeltjes door te dringen, waarna de pH-waarde verhoogd kan worden om de oplossnelheid te verhogen. Een andere methode is het bereiden van een lijmoplossing met een bepaalde concentratie en deze toe te voegen aan het coatingsysteem.
HydroxypropylmethylcelluloseDit product wordt verkregen door de hydroxylgroep op de glucose-eenheid van natuurlijke cellulose te vervangen door een methoxygroep, terwijl het andere deel wordt vervangen door een hydroxypropylgroep. Het verdikkende effect is in principe hetzelfde als dat van hydroxyethylcellulose. Het is bestand tegen enzymatische afbraak, maar de wateroplosbaarheid is minder goed dan die van hydroxyethylcellulose en het heeft als nadeel dat het geleert bij verhitting. Oppervlaktebehandelde hydroxypropylmethylcellulose kan direct aan water worden toegevoegd voor gebruik. Na roeren en dispergeren, voegt u alkalische stoffen zoals ammoniakwater toe om de pH-waarde op 8-9 te brengen en roert u tot het volledig is opgelost. Niet-oppervlaktebehandelde hydroxypropylmethylcellulose kan voor gebruik worden geweekt in heet water van meer dan 85 °C, vervolgens worden afgekoeld tot kamertemperatuur en daarna worden geroerd met koud water of ijswater tot het volledig is opgelost.
②Anorganisch verdikkingsmiddel
Dit type verdikkingsmiddel bestaat voornamelijk uit geactiveerde kleiproducten, zoals bentoniet, magnesiumaluminiumsilicaatklei, enz. Het kenmerkt zich door het verdikkende effect, de goede suspenderende werking, het voorkomen van bezinking en het niet beïnvloeden van de waterbestendigheid van de coating. Nadat de coating is gedroogd en een film heeft gevormd, fungeert het als vulmiddel in de coatingfilm. Een nadeel is dat het de egalisatie van de coating aanzienlijk kan beïnvloeden.
③ Synthetisch polymeer verdikkingsmiddel
Synthetische polymeerverdikkingsmiddelen worden voornamelijk gebruikt in acryl- en polyurethaanverdikkingsmiddelen (associatieve verdikkingsmiddelen). Acrylverdikkingsmiddelen zijn meestal acrylpolymeren die carboxylgroepen bevatten. In water met een pH-waarde van 8-10 dissocieert de carboxylgroep en zwelt deze op; bij een pH-waarde hoger dan 10 lost deze op in water en verliest het verdikkende effect. Het verdikkende effect is dus zeer gevoelig voor de pH-waarde.
Het verdikkingsmechanisme van het acrylaatverdikkingsmiddel is dat de deeltjes ervan zich hechten aan het oppervlak van de latexdeeltjes in de verf en na alkalische zwelling een coatinglaag vormen. Deze laag vergroot het volume van de latexdeeltjes, belemmert de Brownse beweging van de deeltjes en verhoogt de viscositeit van het verfsysteem. Ten tweede verhoogt de zwelling van het verdikkingsmiddel de viscositeit van de waterfase.
(2) Invloed van verdikkingsmiddel op de eigenschappen van de coating
Het effect van het type verdikkingsmiddel op de reologische eigenschappen van de coating is als volgt:
Wanneer de hoeveelheid verdikkingsmiddel toeneemt, stijgt de statische viscositeit van de verf aanzienlijk, en de trend van de viscositeitsverandering is in principe constant wanneer deze wordt blootgesteld aan een externe schuifkracht.
Door de toevoeging van een verdikkingsmiddel neemt de viscositeit van de verf snel af wanneer deze aan schuifkracht wordt blootgesteld, wat pseudoplasticiteit aantoont.
Bij gebruik van een hydrofoob gemodificeerd celluloseverdikkingsmiddel (zoals EBS451FQ) blijft de viscositeit hoog, zelfs bij hoge schuifsnelheden en een grote hoeveelheid.
Bij gebruik van associatieve polyurethaanverdikkingsmiddelen (zoals WT105A) blijft de viscositeit hoog, zelfs bij hoge schuifsnelheden en grote hoeveelheden.
Bij gebruik van acrylverdikkingsmiddelen (zoals ASE60) neemt de statische viscositeit weliswaar snel toe bij een grote hoeveelheid, maar neemt deze bij een hogere schuifsnelheid juist snel af.
3. Associatief verdikkingsmiddel
(1) verdikkingsmechanisme
Cellulose-ether en alkalisch zwelbare acrylverdikkingsmiddelen kunnen alleen de waterfase verdikken, maar hebben geen verdikkend effect op andere componenten in de verf op waterbasis. Evenmin kunnen ze een significante interactie tussen de pigmenten in de verf en de deeltjes van de emulsie veroorzaken, waardoor de reologie van de verf niet kan worden aangepast.
Associatieve verdikkingsmiddelen kenmerken zich doordat ze, naast verdikking door hydratatie, ook verdikken door associaties met elkaar, met verspreide deeltjes en met andere componenten in het systeem. Deze associaties verbreken bij hoge schuifsnelheden en vormen zich opnieuw bij lage schuifsnelheden, waardoor de reologie van de coating kan worden aangepast.
Het verdikkingsmechanisme van de associatieve verdikkingsstof berust op het feit dat het molecuul een lineaire hydrofiele keten is, een polymeerverbinding met lipofiele groepen aan beide uiteinden. Het heeft dus zowel hydrofiele als hydrofobe groepen in de structuur, waardoor het de eigenschappen van oppervlakteactieve moleculen bezit. Dergelijke verdikkingsmoleculen kunnen niet alleen hydrateren en opzwellen om de waterfase te verdikken, maar ook micellen vormen wanneer de concentratie van de waterige oplossing een bepaalde waarde overschrijdt. De micellen kunnen zich binden aan de polymeerdeeltjes van de emulsie en de pigmentdeeltjes die het dispergeermiddel hebben geadsorbeerd, waardoor een driedimensionaal netwerk ontstaat. Deze micellen zijn onderling verbonden en verstrengeld, wat de viscositeit van het systeem verhoogt.
Wat nog belangrijker is, is dat deze associaties zich in een dynamisch evenwicht bevinden en dat de geassocieerde micellen hun positie kunnen aanpassen onder invloed van externe krachten, waardoor de coating egaliserende eigenschappen heeft. Bovendien vermindert deze structuur, doordat het molecuul uit meerdere micellen bestaat, de neiging van watermoleculen om te migreren en verhoogt daardoor de viscositeit van de waterfase.
(2) De rol in coatings
De meeste associatieve verdikkingsmiddelen zijn polyurethanen, met relatieve molecuulgewichten tussen de 10³ en 10⁴ ordes van grootte, twee ordes van grootte lager dan die van gewone polyacrylzuur- en celluloseverdikkingsmiddelen met relatieve molecuulgewichten tussen de 10⁵ en 10⁶. Door het lage molecuulgewicht is de effectieve volumetoename na hydratatie kleiner, waardoor de viscositeitscurve vlakker is dan die van niet-associatieve verdikkingsmiddelen.
Door het lage molecuulgewicht van het associatieve verdikkingsmiddel is de intermoleculaire verstrengeling ervan in de waterfase beperkt, waardoor het verdikkende effect op de waterfase niet significant is. Bij lage schuifsnelheden is de associatieconversie tussen moleculen groter dan de associatievernietiging tussen moleculen, waardoor het hele systeem een inherente suspensie- en dispersietoestand behoudt en de viscositeit dicht bij de viscositeit van het dispersiemedium (water) ligt. Daarom zorgt het associatieve verdikkingsmiddel ervoor dat het verfsysteem op waterbasis een lagere schijnbare viscositeit vertoont bij lage schuifsnelheden.
Associatieve verdikkingsmiddelen verhogen de potentiële energie tussen moleculen als gevolg van de associatie tussen de deeltjes in de gedispergeerde fase. Hierdoor is er meer energie nodig om de associatie tussen moleculen bij hoge schuifsnelheden te verbreken, en is de benodigde schuifkracht om dezelfde schuifspanning te bereiken ook groter. Het systeem vertoont daardoor een hogere schijnbare viscositeit bij hoge schuifsnelheden. De hogere viscositeit bij hoge schuifsnelheden en de lagere viscositeit bij lage schuifsnelheden kunnen het tekort aan reologische eigenschappen van de verf, dat wil zeggen dat de twee verdikkingsmiddelen in combinatie kunnen worden gebruikt om de vloeibaarheid van de latexverf aan te passen. Dit resulteert in variabele prestaties en voldoet aan de eisen voor zowel dikke coatings als een goede coatingvloei.
Geplaatst op: 28 april 2024