1. Определение и функция загустителя
Добавки, способные значительно повысить вязкость красок на водной основе, называются загустителями.
Загустители играют важную роль в производстве, хранении и изготовлении покрытий.
Основная функция загустителя заключается в повышении вязкости покрытия для соответствия требованиям различных этапов его использования. Однако требуемая вязкость покрытия на разных этапах различна. Например:
В процессе хранения желательно, чтобы пигмент обладал высокой вязкостью, чтобы предотвратить его оседание;
В процессе строительства желательно использовать краску умеренной вязкости, чтобы обеспечить хорошую скользкость при нанесении кистью без чрезмерного образования пятен.
После завершения строительства предполагается, что вязкость быстро вернется к высокому уровню после короткого промежутка времени (процесс выравнивания), чтобы предотвратить провисание.
Текучесть покрытий на водной основе не является ньютоновской.
Когда вязкость краски уменьшается с увеличением силы сдвига, она называется псевдопластичной жидкостью, и большая часть краски представляет собой псевдопластичную жидкость.
Когда поведение псевдопластичной жидкости в процессе течения зависит от ее предыстории, то есть от времени, она называется тиксотропной жидкостью.
При производстве покрытий мы часто сознательно стремимся сделать их тиксотропными, например, путем добавления присадок.
При правильной тиксотропии покрытия можно разрешить противоречия, возникающие на различных этапах нанесения покрытия, и удовлетворить технические потребности, связанные с различной вязкостью покрытия на этапах хранения, выравнивания при строительстве и сушки.
Некоторые загустители могут придавать краске высокую тиксотропию, благодаря чему она имеет более высокую вязкость в состоянии покоя или при низкой скорости сдвига (например, при хранении или транспортировке), что предотвращает оседание пигмента в краске. А при высокой скорости сдвига (например, в процессе нанесения покрытия) она имеет низкую вязкость, что обеспечивает достаточную текучесть и выравнивание покрытия.
Тиксотропия обозначается тиксотропным индексом TI и измеряется вискозиметром Брукфилда.
TI = вязкость (измеренная при 6 об/мин) / вязкость (измеренная при 60 об/мин)
2. Виды загустителей и их влияние на свойства покрытия.
(1) Типы. По химическому составу загустители делятся на две категории: органические и неорганические.
К неорганическим типам относятся бентонит, аттапульгит, силикат алюминия и магния, силикат лития и магния и др., к органическим — метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза, полиакрилат, полиметакрилат, акриловая кислота или гомополимер или сополимер метилакрилата, а также полиуретан и др.
С точки зрения влияния на реологические свойства покрытий, загустители делятся на тиксотропные и ассоциативные. С точки зрения требований к эксплуатационным характеристикам, количество загустителя должно быть небольшим, а эффект загущения — хорошим; он не должен легко разрушаться ферментами; при изменении температуры или значения pH системы вязкость покрытия не должна значительно снижаться, а пигмент и наполнитель не должны флокулировать; должна быть хорошая стабильность при хранении; хорошее водоудержание, отсутствие явного пенообразования и не должно оказывать негативного влияния на характеристики пленочного покрытия.
① Целлюлозный загуститель
В качестве загустителей в лакокрасочных покрытиях в основном используются метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза и гидроксипропилметилцеллюлоза, причем последние две применяются чаще.
Гидроксиэтилцеллюлоза — это продукт, получаемый путем замены гидроксильных групп в глюкозных звеньях природной целлюлозы на гидроксиэтильные группы. Характеристики и модели продуктов различаются главным образом по степени замещения и вязкости.
Разновидности гидроксиэтилцеллюлозы также делятся на типы с нормальным растворением, быстрорастворимые типы и типы с биологической стабильностью. Что касается способа применения, гидроксиэтилцеллюлозу можно добавлять на разных этапах процесса производства покрытия. Быстрорастворимую целлюлозу можно добавлять непосредственно в виде сухого порошка. Однако значение pH системы перед добавлением должно быть менее 7, главным образом потому, что гидроксиэтилцеллюлоза медленно растворяется при низком значении pH, и есть достаточно времени для проникновения воды внутрь частиц, после чего значение pH повышается, чтобы ускорить растворение. Соответствующие этапы также можно использовать для приготовления клеевого раствора определенной концентрации и добавления его в систему покрытия.
ГидроксипропилметилцеллюлозаЭто продукт, полученный путем замены гидроксильной группы в глюкозном звене природной целлюлозы на метоксигруппу, а остальная часть заменена на гидроксипропильную группу. Его загущающий эффект в основном такой же, как у гидроксиэтилцеллюлозы. Он устойчив к ферментативной деградации, но его растворимость в воде не так хороша, как у гидроксиэтилцеллюлозы, и он имеет недостаток в виде гелеобразования при нагревании. Гидроксипропилметилцеллюлозу с поверхностной обработкой можно добавлять непосредственно в воду перед использованием. После перемешивания и диспергирования добавить щелочные вещества, такие как аммиачная вода, для регулирования значения pH до 8-9 и перемешивать до полного растворения. Гидроксипропилметилцеллюлозу без поверхностной обработки можно замочить и набухнуть в горячей воде при температуре выше 85 °C перед использованием, затем охладить до комнатной температуры и перемешать с холодной водой или ледяной водой для полного растворения.
②Неорганический загуститель
Этот вид загустителя представляет собой в основном активированные глиняные продукты, такие как бентонит, магниево-алюминиевая силикатная глина и т. д. Он характеризуется тем, что помимо загущающего эффекта, обладает также хорошим суспензионным эффектом, предотвращает проседание и не влияет на водостойкость покрытия. После высыхания покрытия и образования пленки он действует как наполнитель в пленочном покрытии и т. д. Недостатком является то, что он значительно ухудшает выравнивание покрытия.
③ Синтетический полимерный загуститель
Синтетические полимерные загустители в основном используются в акриловых и полиуретановых смолах (ассоциативные загустители). Акриловые загустители представляют собой преимущественно акриловые полимеры, содержащие карбоксильные группы. В воде с pH 8-10 карбоксильная группа диссоциирует и набухает; при pH выше 10 она растворяется в воде и теряет загустяющее действие, поэтому загустяющий эффект очень чувствителен к значению pH.
Механизм загущения акрилатного загустителя заключается в том, что его частицы адсорбируются на поверхности частиц латекса в краске и после щелочного набухания образуют покрывающий слой, который увеличивает объем частиц латекса, препятствует броуновскому движению частиц и повышает вязкость лакокрасочной системы; во-вторых, набухание загустителя увеличивает вязкость водной фазы.
(2) Влияние загустителя на свойства покрытия
Влияние типа загустителя на реологические свойства покрытия проявляется следующим образом:
При увеличении количества загустителя статическая вязкость краски значительно возрастает, при этом тенденция изменения вязкости в основном остается неизменной при воздействии внешней сдвиговой силы.
Под действием загустителя вязкость краски резко снижается при воздействии сдвиговой силы, что свидетельствует о псевдопластичности.
При использовании гидрофобно модифицированного целлюлозного загустителя (например, EBS451FQ) при высоких скоростях сдвига вязкость остается высокой даже при большом количестве вещества.
При использовании ассоциативных полиуретановых загустителей (таких как WT105A) при высоких скоростях сдвига вязкость остается высокой даже при большом количестве.
При использовании акриловых загустителей (таких как ASE60) статическая вязкость, несмотря на быстрое увеличение их количества, быстро снижается при более высокой скорости сдвига.
3. Ассоциативный загуститель
(1) механизм утолщения
Эфир целлюлозы и щелочно-набухающие акриловые загустители могут загущать только водную фазу, но не оказывают загущающего воздействия на другие компоненты водорастворимой краски и не вызывают существенного взаимодействия между пигментами краски и частицами эмульсии, поэтому реологические свойства краски не могут быть скорректированы.
Ассоциативные загустители характеризуются тем, что помимо загущения за счет гидратации, они также загущают за счет ассоциаций между собой, с диспергированными частицами и с другими компонентами системы. Эта ассоциация распадается при высоких скоростях сдвига и вновь образуется при низких скоростях сдвига, что позволяет регулировать реологические свойства покрытия.
Механизм загущения ассоциативного загустителя заключается в том, что его молекула представляет собой линейную гидрофильную цепь, полимерное соединение с липофильными группами на обоих концах, то есть в ее структуре присутствуют как гидрофильные, так и гидрофобные группы, поэтому она обладает характеристиками молекул поверхностно-активных веществ. Такие молекулы загустителя могут не только гидратироваться и набухать, загущая водную фазу, но и образовывать мицеллы, когда концентрация его водного раствора превышает определенное значение. Мицеллы могут связываться с частицами полимера эмульсии и частицами пигмента, адсорбировавшими диспергирующее вещество, образуя трехмерную сетевую структуру, и, соединяясь и переплетаясь, увеличивают вязкость системы.
Что еще более важно, эти ассоциации находятся в состоянии динамического равновесия, и связанные с ними мицеллы могут корректировать свое положение под воздействием внешних сил, благодаря чему покрытие обладает выравнивающими свойствами. Кроме того, поскольку молекула состоит из нескольких мицелл, такая структура уменьшает склонность молекул воды к миграции и, следовательно, увеличивает вязкость водной фазы.
(2) Роль в покрытиях
Большинство ассоциативных загустителей представляют собой полиуретаны, и их относительная молекулярная масса находится в диапазоне 103-104 порядков величины, что на два порядка ниже, чем у обычных полиакриловых кислот и целлюлозных загустителей с относительной молекулярной массой от 105 до 106. Из-за низкой молекулярной массы эффективное увеличение объема после гидратации меньше, поэтому их кривая вязкости более пологая, чем у неассоциативных загустителей.
Из-за низкой молекулярной массы ассоциативного загустителя его межмолекулярное переплетение в водной фазе ограничено, поэтому его загущающий эффект на водную фазу незначителен. В диапазоне низких скоростей сдвига степень ассоциации между молекулами превышает степень их разрушения, вся система сохраняет присущее ей суспензионное и дисперсионное состояние, а вязкость близка к вязкости дисперсионной среды (воды). Следовательно, ассоциативный загуститель приводит к тому, что в области низких скоростей сдвига система краски на водной основе демонстрирует более низкую кажущуюся вязкость.
Ассоциативные загустители увеличивают потенциальную энергию между молекулами за счет ассоциации между частицами в дисперсной фазе. Таким образом, для разрыва ассоциации между молекулами при высоких скоростях сдвига требуется больше энергии, а также увеличивается сила сдвига, необходимая для достижения той же деформации сдвига, поэтому система демонстрирует более высокую скорость сдвига при высоких скоростях сдвига. Кажущаяся вязкость. Более высокая вязкость при высоких скоростях сдвига и более низкая вязкость при низких скоростях сдвига могут компенсировать недостаток общих загустителей в реологических свойствах краски, то есть два загустителя могут использоваться в комбинации для регулирования текучести латексной краски. Переменные характеристики, отвечающие комплексным требованиям нанесения толстой пленки и текучести пленки покрытия.
Дата публикации: 28 апреля 2024 г.