Секреты добавок для покрытий на водной основе

Краткое содержание:

1. Смачивающий и диспергирующий агент

2. Пеногаситель

3. Загуститель

4. Пленкообразующие добавки

5. Антикоррозионное, противогрибковое и противоводорослевое средство.

6. Другие добавки

1. Смачивающий и диспергирующий агент:

В покрытиях на водной основе вода используется в качестве растворителя или дисперсионной среды, а вода обладает высокой диэлектрической постоянной, поэтому стабилизация покрытий на водной основе в основном происходит за счет электростатического отталкивания при перекрытии двойного электрического слоя. Кроме того, в системах покрытий на водной основе часто присутствуют полимеры и неионогенные поверхностно-активные вещества, которые адсорбируются на поверхности пигментного наполнителя, образуя стерические препятствия и стабилизируя дисперсию. Таким образом, краски и эмульсии на водной основе достигают стабильных результатов за счет совместного действия электростатического отталкивания и стерических препятствий. Их недостатком является низкая устойчивость к электролитам, особенно к дорогостоящим электролитам.

1.1 Смачивающий агент

Смачивающие вещества для покрытий на водной основе делятся на анионные и неионогенные.

Идеальные результаты достигаются при сочетании смачивающего и диспергирующего агентов. Обычно количество смачивающего агента составляет несколько тысячных долей. Его негативным эффектом является пенообразование и снижение водостойкости покрытия.

Одной из тенденций развития смачивающих агентов является постепенная замена полиоксиэтиленалкилфеноловых эфиров (APEO или APE), поскольку последние приводят к снижению уровня мужских гормонов у крыс и нарушают работу эндокринной системы. Полиоксиэтиленалкилфеноловые эфиры широко используются в качестве эмульгаторов при эмульсионной полимеризации.

Двухкомпонентные поверхностно-активные вещества также являются новой разработкой. Это две амфифильные молекулы, соединенные спейсером. Наиболее примечательной особенностью двухкомпонентных поверхностно-активных веществ является то, что критическая концентрация мицеллообразования (ККМ) более чем на порядок ниже, чем у однокомпонентных поверхностно-активных веществ, а также высокая эффективность. Например, TEGO Twin 4000 — это двухкомпонентное силоксановое поверхностно-активное вещество, обладающее неустойчивой пенообразующей способностью и пеногасящими свойствами.

Компания Air Products разработала поверхностно-активные вещества Gemini. Традиционные поверхностно-активные вещества имеют гидрофобный хвост и гидрофильную головку, но это новое поверхностно-активное вещество имеет две гидрофильные группы и две или три гидрофобные группы, что делает его многофункциональным поверхностно-активным веществом, известным как ацетиленгликоли, например, EnviroGem AD01.

1.2 Диспергант

Диспергаторы для латексных красок делятся на четыре категории: фосфатные диспергаторы, поликислотные гомополимерные диспергаторы, поликислотные сополимерные диспергаторы и другие диспергаторы.

Наиболее широко используемыми диспергаторами фосфатов являются полифосфаты, такие как гексаметафосфат натрия, полифосфат натрия (Calgon N, продукт химической компании BK Giulini в Германии), триполифосфат калия (KTPP) и пирофосфат тетракалия (TKPP). Механизм их действия заключается в стабилизации электростатического отталкивания за счет водородных связей и химической адсорбции. Их преимуществом является низкая дозировка, около 0,1%, и хорошее диспергирующее действие на неорганические пигменты и наполнители. Однако есть и недостатки: во-первых, при повышении значения pH и температуры полифосфат легко гидролизуется, что ухудшает стабильность при длительном хранении; во-вторых, неполное растворение в среде влияет на блеск глянцевой латексной краски.

Диспергаторы на основе фосфатных эфиров представляют собой смеси моноэфиров, диэфиров, остаточных спиртов и фосфорной кислоты.

Диспергаторы на основе фосфатных эфиров стабилизируют пигментные дисперсии, включая реактивные пигменты, такие как оксид цинка. В составах глянцевых красок они улучшают блеск и легкость очистки. В отличие от других смачивающих и диспергирующих добавок, добавление диспергаторов на основе фосфатных эфиров не влияет на вязкость покрытия по показателям KU и ICI.

Диспергаторы на основе поликислотных гомополимеров, такие как Tamol 1254 и Tamol 850, представляют собой гомополимер метакриловой кислоты. Диспергаторы на основе поликислотных сополимеров, такие как Orotan 731A, являются сополимерами диизобутилена и малеиновой кислоты. Характеристики этих двух типов диспергаторов заключаются в том, что они обеспечивают сильную адсорбцию или закрепление на поверхности пигментов и наполнителей, имеют более длинные молекулярные цепи, образующие стерические препятствия, и обладают водорастворимостью на концах цепей, а некоторые из них дополнительно используют электростатическое отталкивание для достижения стабильных результатов. Для обеспечения хорошей диспергируемости диспергатора необходимо строго контролировать молекулярную массу. Если молекулярная масса слишком мала, будет недостаточно стерических препятствий; если молекулярная масса слишком велика, произойдет флокуляция. Для полиакрилатных диспергаторов наилучший диспергирующий эффект достигается при степени полимеризации 12-18.

Другие типы диспергаторов, такие как AMP-95, имеют химическое название 2-амино-2-метил-1-пропанол. Аминогруппа адсорбируется на поверхности неорганических частиц, а гидроксильная группа связывается с водой, оказывая стабилизирующее воздействие за счет стерических препятствий. Благодаря небольшому размеру частиц, стерические препятствия ограничены. AMP-95 в основном является регулятором pH.

В последние годы исследования диспергаторов позволили преодолеть проблему флокуляции, вызванную высокой молекулярной массой, и разработка высокомолекулярных диспергаторов является одним из трендов. Например, высокомолекулярный диспергатор EFKA-4580, полученный методом эмульсионной полимеризации, специально разработан для промышленных покрытий на водной основе, подходит для диспергирования органических и неорганических пигментов и обладает хорошей водостойкостью.

Аминогруппы обладают хорошим сродством ко многим пигментам за счет кислотно-основных или водородных связей. Особое внимание уделяется диспергатору на основе блок-сополимера с аминоакриловой кислотой в качестве якорной группы.

Дисперсант с диметиламиноэтилметакрилатом в качестве якорной группы

Смачивающая и диспергирующая добавка Tego Dispers 655 используется в автомобильных красках на водной основе не только для ориентации пигментов, но и для предотвращения реакции алюминиевого порошка с водой.

В связи с экологическими проблемами были разработаны биоразлагаемые смачивающие и диспергирующие агенты, такие как двухъячеечные смачивающие и диспергирующие агенты серии EnviroGem AE, которые обладают низким пенообразованием.

2 пеногасителя:

Существует множество видов традиционных пеногасителей для красок на водной основе, которые, как правило, делятся на три категории: пеногасители на основе минерального масла, полисилоксановые пеногасители и другие пеногасители.

Минеральные пеногасители широко используются, главным образом, в матовых и полуглянцевых латексных красках.

Полисилоксановые пеногасители обладают низким поверхностным натяжением, сильными пеногасящими и противопенными свойствами и не влияют на блеск, но при неправильном использовании могут вызывать такие дефекты, как усадка покрытия и плохая возможность повторного нанесения.

Традиционные пеногасители на водной основе несовместимы с водной фазой и не обеспечивают пеногашения, поэтому легко могут возникать дефекты поверхности лакокрасочного покрытия.

В последние годы были разработаны пеногасители на молекулярном уровне.

Этот пеногаситель представляет собой полимер, образованный путем прямой прививки пеногасящих активных веществ к несущему веществу. Молекулярная цепь полимера имеет смачивающую гидроксильную группу, пеногасящее активное вещество распределено вокруг молекулы, активное вещество не склонно к агрегации, и обладает хорошей совместимостью с системой покрытия. К таким пеногасителям на молекулярном уровне относятся минеральные масла — серия FoamStar A10, кремнийсодержащие — серия FoamStar A30, и не содержащие кремния, не являющиеся маслом полимеры — серия FoamStar MF.

Также сообщается, что этот пеногаситель молекулярного уровня использует суперпривитые звездообразные полимеры в качестве несовместимых поверхностно-активных веществ и показал хорошие результаты в применении в покрытиях на водной основе. Пеногаситель молекулярного класса от Air Products, описанный Стаутом и др., представляет собой пеногаситель на основе ацетиленгликоля, обладающий как смачивающими свойствами, так и свойствами Surfynol MD 20 и Surfynol DF 37.

Кроме того, для удовлетворения потребностей в производстве покрытий с нулевым содержанием летучих органических соединений (ЛОС) существуют также пеногасители, не содержащие ЛОС, такие как Agitan 315, Agitan E 255 и др.

3 загустителя:

Существует множество видов загустителей, в настоящее время наиболее часто используются загустители на основе эфиров целлюлозы и их производных, ассоциативные щелочно-набухающие загустители (HASE) и полиуретановые загустители (HEUR).

3.1. Эфир целлюлозы и его производные

Гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭК) впервые была произведена в промышленных масштабах компанией Union Carbide в 1932 году и имеет более чем 70-летнюю историю. В настоящее время к загустителям на основе эфира целлюлозы и ее производных относятся в основном гидроксиэтилцеллюлоза (ГЭК), метилгидроксиэтилцеллюлоза (МГЭК), этилгидроксиэтилцеллюлоза (ЭГЭК), метилгидроксипропилцеллюлоза (МГПЦ), метилцеллюлоза (МЦ) и ксантановая камедь и др. Это неионогенные загустители, а также неассоциированные загустители водной фазы. Среди них ГЭК является наиболее часто используемой в латексных красках.

Гидрофобно модифицированная целлюлоза (ГММЭЦ) вводит небольшое количество длинноцепочечных гидрофобных алкильных групп в гидрофильную основу целлюлозы, превращая ее в ассоциативный загуститель, например, Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100. Ее загущающий эффект сопоставим с эффектом эфирных загустителей на основе целлюлозы с гораздо большей молекулярной массой. Она улучшает вязкость и выравнивание ICI, а также снижает поверхностное натяжение, например, поверхностное натяжение ГММЭЦ составляет около 67 мН/м, а поверхностное натяжение ГММЭЦ — 55-65 мН/м.

3.2 Щелочнонабухающий загуститель

Щелочнонабухающие загустители делятся на две категории: неассоциативные щелочнонабухающие загустители (ЩН) и ассоциативные щелочнонабухающие загустители (ЩН), которые являются анионными загустителями. Неассоциативный ЩН представляет собой полиакрилатную щелочнонабухающую эмульсию. Ассоциативный ЩН представляет собой гидрофобно модифицированную полиакрилатную щелочнонабухающую эмульсию.

3.3. Полиуретановый загуститель и гидрофобно модифицированный неполиуретановый загуститель

Полиуретановый загуститель, обозначаемый как HEUR, представляет собой этоксилированный водорастворимый полиуретановый полимер, модифицированный гидрофобными группами, и относится к неионогенным ассоциативным загустителям. HEUR состоит из трех частей: гидрофобной группы, гидрофильной цепи и полиуретановой группы. Гидрофобная группа играет ассоциативную роль и является решающим фактором загущения, обычно это олеил, октадецил, додецилфенил, нонилфенол и др. Гидрофильная цепь обеспечивает химическую и вязкостную стабильность, обычно используются полиэфиры, такие как полиоксиэтилен и его производные. Молекулярная цепь HEUR удлиняется полиуретановыми группами, такими как IPDI, TDI и HMDI. Структурной особенностью ассоциативных загустителей является то, что они заканчиваются гидрофобными группами. Однако степень замещения гидрофобными группами на обоих концах некоторых коммерчески доступных HEUR ниже 0,9, а наилучший показатель составляет всего 1,7. Для получения полиуретанового загустителя с узким распределением молекулярной массы и стабильными характеристиками необходимо строго контролировать условия реакции. Большинство HEUR синтезируются методом ступенчатой ​​полимеризации, поэтому имеющиеся в продаже HEUR обычно представляют собой смеси с широким диапазоном молекулярной массы.

Ричи и др. использовали флуоресцентный трассер пиреновый ассоциативный загуститель (PAT, среднечисловая молекулярная масса 30000, средневесовая молекулярная масса 60000) и обнаружили, что при концентрации 0,02% (по весу) степень агрегации мицелл Acrysol RM-825 и PAT составляла около 6. Энергия ассоциации между загустителем и поверхностью латексных частиц составляла около 25 кДж/моль; площадь, занимаемая каждой молекулой загустителя PAT на поверхности латексных частиц, составляла около 13 нм², что примерно в 14 раз больше площади, занимаемой смачивающим агентом Triton X-405 (0,9 нм²). Ассоциативные полиуретановые загустители, такие как RM-2020NPR, DSX 1550 и др.

Разработка экологически чистых ассоциативных полиуретановых загустителей получила широкое внимание. Например, BYK-425 — это модифицированный мочевиной полиуретановый загуститель, не содержащий летучих органических соединений и АПЭО. Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 и 3060 — это ассоциативные полиуретановые загустители, не содержащие летучих органических соединений и АПЭО.

Помимо описанных выше линейных ассоциативных полиуретановых загустителей, существуют также гребенчатые ассоциативные полиуретановые загустители. Так называемый гребенчатый ассоциативный полиуретановый загуститель означает, что в середине каждой молекулы загустителя находится боковая гидрофобная группа. К таким загустителям относятся, например, SCT-200 и SCT-275 и др.

Гидрофобно модифицированный аминопластовый загуститель (гидрофобно модифицированный этоксилированный аминопластовый загуститель — HEAT) изменяет особую аминосмолу, добавляя четыре заблокированные гидрофобные группы, но реакционная способность этих четырех реакционных центров различна. При обычном добавлении гидрофобных групп блокируются только две, поэтому синтетический гидрофобно модифицированный аминозагуститель мало чем отличается от HEUR, например, Optiflo H 500. Если добавить больше гидрофобных групп, например, до 8%, условия реакции можно скорректировать для получения аминозагустителей с несколькими заблокированными гидрофобными группами. Конечно, это также гребенчатый загуститель. Этот гидрофобно модифицированный аминозагуститель может предотвратить снижение вязкости краски из-за добавления большого количества поверхностно-активных веществ и гликолевых растворителей при подборе цвета. Причина в том, что сильные гидрофобные группы могут предотвратить десорбцию, а множественные гидрофобные группы имеют сильную ассоциацию. Например, загустители, такие как Optiflo TVS.

Гидрофобно-модифицированный полиэфирный загуститель (HMPE). Характеристики гидрофобно-модифицированного полиэфирного загустителя аналогичны характеристикам HEUR, и к таким продуктам относятся Aquaflow NLS200, NLS210 и NHS300 от компании Hercules.

Механизм загущения основан на эффекте водородных связей и ассоциации концевых групп. По сравнению с обычными загустителями, он обладает лучшими антиосадочными и антипровисающими свойствами. В зависимости от полярности концевых групп модифицированные полимочевинные загустители можно разделить на три типа: низкополярные, среднеполярные и высокополярные. Первые два используются для загущения покрытий на основе растворителей, тогда как высокополярные полимочевинные загустители могут использоваться как для высокополярных покрытий на основе растворителей, так и для покрытий на водной основе. Коммерческими продуктами низкополярных, среднеполярных и высокополярных полимочевинных загустителей являются BYK-411, BYK-410 и BYK-420 соответственно.

Модифицированная полиамидная восковая суспензия — это реологическая добавка, синтезированная путем введения гидрофильных групп, таких как ПЭГ, в молекулярную цепь амидного воска. В настоящее время некоторые марки импортируются и в основном используются для регулирования тиксотропии системы и улучшения антитиксотропных и противоскользящих свойств.