1. Definição e função do espessante
Aditivos que podem aumentar significativamente a viscosidade de tintas à base de água são chamados de espessantes.
Os espessantes desempenham um papel importante na produção, armazenamento e construção de revestimentos.
A principal função do espessante é aumentar a viscosidade do revestimento para atender às necessidades das diferentes etapas de uso. No entanto, a viscosidade exigida pelo revestimento em cada etapa varia. Exemplo:
Durante o processo de armazenamento, é desejável uma alta viscosidade para evitar a sedimentação do pigmento;
Durante o processo de construção, é desejável uma viscosidade moderada para garantir que a tinta seja aplicada com boa pincelada, sem manchar excessivamente;
Após a construção, espera-se que a viscosidade retorne rapidamente a um nível elevado após um curto período de tempo (processo de nivelamento) para evitar o escorrimento.
A fluidez dos revestimentos à base de água não é newtoniana.
Quando a viscosidade da tinta diminui com o aumento da força de cisalhamento, ela é chamada de fluido pseudoplástico, e a maioria das tintas são fluidos pseudoplásticos.
Quando o comportamento de fluxo de um fluido pseudoplástico está relacionado à sua história, ou seja, depende do tempo, ele é chamado de fluido tixotrópico.
Na fabricação de revestimentos, muitas vezes buscamos conscientemente torná-los tixotrópicos, por exemplo, adicionando aditivos.
Quando a tixotropia do revestimento é adequada, ela pode resolver as contradições das várias etapas do revestimento e atender às necessidades técnicas de diferentes viscosidades do revestimento nas etapas de armazenamento, nivelamento durante a aplicação e secagem.
Alguns espessantes podem conferir à tinta alta tixotropia, fazendo com que ela apresente maior viscosidade em repouso ou sob baixa taxa de cisalhamento (como durante o armazenamento ou transporte), evitando assim a sedimentação do pigmento. Já sob alta taxa de cisalhamento (como no processo de revestimento), a tinta apresenta baixa viscosidade, garantindo fluidez e nivelamento adequados da camada.
A tixotropia é representada pelo índice tixotrópico TI e medida por um viscosímetro Brookfield.
TI = viscosidade (medida a 6 rpm) / viscosidade (medida a 60 rpm)
2. Tipos de espessantes e seus efeitos nas propriedades do revestimento
(1) Tipos Em termos de composição química, os espessantes são divididos em duas categorias: orgânicos e inorgânicos.
Os tipos inorgânicos incluem bentonita, atapulgita, silicato de alumínio e magnésio, silicato de lítio e magnésio, etc., e os tipos orgânicos incluem metilcelulose, hidroxietilcelulose, poliacrilato, polimetacrilato, ácido acrílico ou homopolímero ou copolímero de metilacrilato e poliuretano, etc.
Do ponto de vista da influência nas propriedades reológicas dos revestimentos, os espessantes são divididos em espessantes tixotrópicos e espessantes associativos. Em termos de requisitos de desempenho, a quantidade de espessante deve ser pequena e o efeito espessante deve ser bom; não deve ser facilmente degradado por enzimas; quando a temperatura ou o valor do pH do sistema mudarem, a viscosidade do revestimento não deve ser significativamente reduzida e o pigmento e o material de enchimento não devem floculação; deve apresentar boa estabilidade de armazenamento; boa retenção de água, sem fenômeno de formação de espuma evidente e sem efeitos adversos no desempenho do filme de revestimento.
① Espessante de celulose
Os espessantes de celulose usados em revestimentos são principalmente metilcelulose, hidroxietilcelulose e hidroxipropilmetilcelulose, sendo os dois últimos os mais comuns.
A hidroxietilcelulose é um produto obtido pela substituição dos grupos hidroxila das unidades de glicose da celulose natural por grupos hidroxietil. As especificações e modelos dos produtos são diferenciados principalmente pelo grau de substituição e viscosidade.
As variedades de hidroxietilcelulose também são divididas em tipo de dissolução normal, tipo de dispersão rápida e tipo de estabilidade biológica. Quanto ao método de uso, a hidroxietilcelulose pode ser adicionada em diferentes etapas do processo de produção do revestimento. O tipo de dispersão rápida pode ser adicionado diretamente na forma de pó seco. No entanto, o valor do pH do sistema antes da adição deve ser inferior a 7, principalmente porque a hidroxietilcelulose se dissolve lentamente em pH baixo, havendo tempo suficiente para a água infiltrar-se no interior das partículas. Em seguida, o valor do pH é aumentado para que ela se dissolva rapidamente. Etapas correspondentes também podem ser utilizadas para preparar uma solução adesiva com determinada concentração e adicioná-la ao sistema de revestimento.
HidroxipropilmetilceluloseÉ um produto obtido pela substituição do grupo hidroxila na unidade de glicose da celulose natural por um grupo metoxi, enquanto a outra parte é substituída por um grupo hidroxipropil. Seu efeito espessante é basicamente o mesmo da hidroxietilcelulose. É resistente à degradação enzimática, mas sua solubilidade em água não é tão boa quanto a da hidroxietilcelulose e tem a desvantagem de gelificar quando aquecida. A hidroxipropilmetilcelulose tratada superficialmente pode ser adicionada diretamente à água no momento do uso. Após agitação e dispersão, adicione substâncias alcalinas, como água amoniacal, para ajustar o pH para 8-9 e agite até a completa dissolução. A hidroxipropilmetilcelulose sem tratamento superficial pode ser imersa em água quente acima de 85 °C antes do uso, resfriada à temperatura ambiente e, em seguida, agitada com água fria ou gelada para completa dissolução.
②Espessante inorgânico
Esse tipo de espessante é composto principalmente por produtos de argila ativada, como bentonita, argila de silicato de magnésio e alumínio, etc. Sua característica principal é que, além do efeito espessante, possui bom efeito de suspensão, podendo impedir o afundamento e não afetar a resistência à água do revestimento. Após a secagem e formação de uma película, atua como carga na película de revestimento. A desvantagem é que pode afetar significativamente o nivelamento do revestimento.
③ Espessante de polímero sintético
Os espessantes poliméricos sintéticos são usados principalmente em acrílicos e poliuretanos (espessantes associativos). Os espessantes acrílicos são, em sua maioria, polímeros acrílicos que contêm grupos carboxílicos. Em água com pH entre 8 e 10, o grupo carboxílico se dissocia e incha; quando o pH é superior a 10, ele se dissolve na água e perde o efeito espessante, sendo, portanto, muito sensível ao valor do pH.
O mecanismo de espessamento do espessante acrílico consiste na adsorção de suas partículas na superfície das partículas de látex da tinta, formando uma camada de revestimento após o inchamento alcalino. Isso aumenta o volume das partículas de látex, dificulta o movimento browniano das partículas e aumenta a viscosidade do sistema de tinta. Além disso, o inchamento do espessante aumenta a viscosidade da fase aquosa.
(2) Influência do espessante nas propriedades do revestimento
O efeito do tipo de espessante nas propriedades reológicas do revestimento é o seguinte:
Com o aumento da quantidade de espessante, a viscosidade estática da tinta aumenta significativamente, e a tendência de variação da viscosidade permanece basicamente a mesma quando submetida a uma força de cisalhamento externa.
Com o efeito do espessante, a viscosidade da tinta diminui rapidamente quando submetida a forças de cisalhamento, apresentando pseudoplasticidade.
Ao utilizar um espessante de celulose modificado hidrofobicamente (como o EBS451FQ), em altas taxas de cisalhamento, a viscosidade permanece elevada mesmo quando a quantidade é grande.
Ao utilizar espessantes de poliuretano associativos (como o WT105A), em altas taxas de cisalhamento, a viscosidade permanece elevada mesmo quando a quantidade é grande.
Ao utilizar espessantes acrílicos (como o ASE60), embora a viscosidade estática aumente rapidamente quando a quantidade é grande, a viscosidade diminui rapidamente a uma taxa de cisalhamento mais alta.
3. Espessante associativo
(1) mecanismo de espessamento
Os espessantes acrílicos intumescíveis à base de celulose e álcali só conseguem engrossar a fase aquosa, mas não têm efeito espessante sobre os outros componentes da tinta à base de água, nem causam interação significativa entre os pigmentos da tinta e as partículas da emulsão, portanto, a reologia da tinta não pode ser ajustada.
Os espessantes associativos caracterizam-se por, além de aumentarem a espessura por hidratação, também aumentarem por meio de associações entre si, com partículas dispersas e com outros componentes do sistema. Essa associação se desfaz em altas taxas de cisalhamento e se refaz em baixas taxas de cisalhamento, permitindo o ajuste da reologia do revestimento.
O mecanismo de espessamento do espessante associativo reside no fato de sua molécula ser uma cadeia hidrofílica linear, um composto polimérico com grupos lipofílicos em ambas as extremidades, ou seja, possui grupos hidrofílicos e hidrofóbicos em sua estrutura, apresentando, portanto, características de moléculas surfactantes. Essas moléculas espessantes podem não apenas hidratar e inchar para engrossar a fase aquosa, mas também formar micelas quando a concentração de sua solução aquosa ultrapassa um determinado valor. As micelas podem se associar às partículas poliméricas da emulsão e às partículas de pigmento que adsorveram o dispersante, formando uma estrutura de rede tridimensional, interconectando-se e entrelaçando-se para aumentar a viscosidade do sistema.
Mais importante ainda, essas associações encontram-se em estado de equilíbrio dinâmico, e as micelas associadas podem ajustar suas posições quando submetidas a forças externas, conferindo ao revestimento propriedades niveladoras. Além disso, como a molécula possui diversas micelas, essa estrutura reduz a tendência de migração das moléculas de água, aumentando assim a viscosidade da fase aquosa.
(2) O papel nos revestimentos
A maioria dos espessantes associativos são poliuretanos, e seus pesos moleculares relativos situam-se entre 10³ e 10⁴ ordens de magnitude, duas ordens de magnitude menores do que os espessantes comuns de ácido poliacrílico e celulose, cujos pesos moleculares relativos variam entre 10⁵ e 10⁶. Devido ao baixo peso molecular, o aumento efetivo de volume após a hidratação é menor, resultando em uma curva de viscosidade mais plana do que a dos espessantes não associativos.
Devido ao baixo peso molecular do espessante associativo, seu emaranhamento intermolecular na fase aquosa é limitado, de modo que seu efeito espessante na fase aquosa não é significativo. Na faixa de baixa taxa de cisalhamento, a conversão de associação entre as moléculas é maior do que a quebra de associação entre elas, mantendo todo o sistema em um estado inerente de suspensão e dispersão, e a viscosidade se aproxima da viscosidade do meio de dispersão (água). Portanto, o espessante associativo faz com que o sistema de tinta à base de água apresente menor viscosidade aparente na região de baixa taxa de cisalhamento.
Os espessantes associativos aumentam a energia potencial entre as moléculas devido à associação entre as partículas na fase dispersa. Dessa forma, é necessária mais energia para romper a associação entre as moléculas em altas taxas de cisalhamento, e a força de cisalhamento necessária para atingir a mesma deformação por cisalhamento também é maior, de modo que o sistema exibe uma viscosidade aparente mais alta em altas taxas de cisalhamento. A maior viscosidade em altas taxas de cisalhamento e a menor viscosidade em baixas taxas de cisalhamento podem compensar a falta de espessantes comuns nas propriedades reológicas da tinta, ou seja, os dois espessantes podem ser usados em combinação para ajustar a fluidez da tinta látex. Isso permite um desempenho variável, atendendo aos requisitos abrangentes de revestimento em película espessa e fluidez da película de revestimento.
Data da publicação: 28/04/2024