บทช่วยสอนเทคโนโลยีการทำให้สีน้ำข้นอย่างกระชับที่สุด

1. ความหมายและหน้าที่ของเครื่องทำให้ข้น

สารเติมแต่งที่สามารถเพิ่มความหนืดของสีน้ำได้อย่างมาก เรียกว่า สารเพิ่มความข้น

สารเพิ่มความข้นมีบทบาทสำคัญในการผลิต การจัดเก็บ และการก่อสร้างของสารเคลือบ

หน้าที่หลักของสารเพิ่มความข้นคือการเพิ่มความหนืดของสารเคลือบเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดในแต่ละขั้นตอนการใช้งาน อย่างไรก็ตาม ความหนืดที่จำเป็นสำหรับสารเคลือบในแต่ละขั้นตอนจะแตกต่างกัน เช่น

ในระหว่างกระบวนการจัดเก็บ ควรมีความหนืดสูงเพื่อป้องกันไม่ให้เม็ดสีตกตะกอน

ในระหว่างขั้นตอนการก่อสร้าง ควรใช้ค่าความหนืดปานกลาง เพื่อให้แน่ใจว่าสีสามารถทาด้วยแปรงได้ดีโดยไม่เกิดคราบสีมากเกินไป

ภายหลังจากการก่อสร้าง หวังว่าความหนืดจะกลับคืนสู่ความหนืดสูงได้อย่างรวดเร็วหลังจากช่วงเวลาสั้นๆ (กระบวนการปรับระดับ) เพื่อป้องกันการหย่อนคล้อย

ความสามารถในการไหลของสารเคลือบที่ละลายในน้ำนั้นไม่ใช่แบบนิวโทเนียน

เมื่อความหนืดของสีลดลงเมื่อแรงเฉือนเพิ่มขึ้น จะเรียกว่า ของเหลวเทียมพลาสติก และสีส่วนใหญ่ก็ถือเป็นของเหลวเทียมพลาสติก

เมื่อพฤติกรรมการไหลของของไหลเทียมพลาสติกมีความสัมพันธ์กับประวัติของมัน นั่นคือ ขึ้นอยู่กับเวลา เรียกว่าของไหลไธโคทรอปิก

ในการผลิตสารเคลือบ เรามักจะพยายามทำให้สารเคลือบมีคุณสมบัติไม่ไหลย้อน เช่น การเติมสารเติมแต่ง

เมื่อความหนืดของสารเคลือบเหมาะสม ก็สามารถแก้ไขข้อขัดแย้งในแต่ละขั้นตอนของสารเคลือบได้ และตอบสนองความต้องการทางเทคนิคของความหนืดที่แตกต่างกันของสารเคลือบในขั้นตอนการจัดเก็บ การปรับระดับการก่อสร้าง และการทำให้แห้ง

สารเพิ่มความข้นบางชนิดสามารถให้สีมีความหนืดสูงได้ ทำให้มีความหนืดสูงเมื่อหยุดนิ่งหรือมีอัตราการเฉือนต่ำ (เช่น ขณะจัดเก็บหรือขนส่ง) เพื่อป้องกันไม่ให้เม็ดสีในสีตกตะกอน และเมื่ออัตราการเฉือนสูง (เช่น กระบวนการเคลือบ) สารเพิ่มความข้นจะมีความหนืดต่ำ ทำให้การเคลือบมีการไหลและการปรับระดับที่เพียงพอ

ค่าความหนืดแสดงโดยดัชนีความหนืด TI และวัดด้วยเครื่องวัดความหนืดของ Brookfield

TI=ความหนืด (วัดที่ 6r/นาที) / ความหนืด (วัดที่ 60r/นาที)

2. ประเภทของสารเพิ่มความข้นและผลกระทบต่อคุณสมบัติการเคลือบ

(1) ประเภท ในแง่ขององค์ประกอบทางเคมี สารเพิ่มความข้นจะแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ สารอินทรีย์และสารอนินทรีย์

ประเภทอนินทรีย์ได้แก่ เบนโทไนท์ แอตตาพัลไจต์ อะลูมิเนียม แมกนีเซียม ซิลิเกต ลิเธียม แมกนีเซียม ซิลิเกต ฯลฯ ประเภทอินทรีย์ เช่น เมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส โพลีอะคริเลต โพลีเมทาคริเลต กรดอะคริลิก หรือเมทิลอะคริลิกโฮโมพอลิเมอร์หรือโคพอลิเมอร์และโพลียูรีเทน ฯลฯ

จากมุมมองของอิทธิพลที่มีต่อคุณสมบัติการไหลของสารเคลือบ สารทำให้ข้นจะถูกแบ่งออกเป็นสารทำให้ข้นแบบไธโซทรอปิกและสารทำให้ข้นแบบเชื่อมโยง ในแง่ของข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ปริมาณสารทำให้ข้นควรน้อยลงและเอฟเฟกต์การทำให้ข้นต้องดี ไม่ง่ายที่เอนไซม์จะกัดกร่อน เมื่ออุณหภูมิหรือค่า pH ของระบบเปลี่ยนแปลง ความหนืดของสารเคลือบจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และเม็ดสีและสารตัวเติมจะไม่เกาะกันเป็นก้อน มีเสถียรภาพในการจัดเก็บที่ดี การกักเก็บน้ำที่ดี ไม่มีปรากฏการณ์ฟองที่ชัดเจน และไม่มีผลเสียต่อประสิทธิภาพของฟิล์มเคลือบ

①สารเพิ่มความข้นเซลลูโลส

สารเพิ่มความข้นเซลลูโลสที่ใช้ในการเคลือบ ได้แก่ เมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นหลัก โดยสองชนิดหลังนี้เป็นที่นิยมใช้กันมากกว่า

เซลลูโลสไฮดรอกซีเอทิลเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแทนที่กลุ่มไฮดรอกซิลในหน่วยกลูโคสของเซลลูโลสธรรมชาติด้วยกลุ่มไฮดรอกซีเอทิล ข้อมูลจำเพาะและรุ่นของผลิตภัณฑ์จะแตกต่างกันตามระดับการทดแทนและความหนืดเป็นหลัก

เซลลูโลสไฮดรอกซีเอทิลยังแบ่งออกเป็นประเภทการละลายปกติ ประเภทการกระจายตัวอย่างรวดเร็ว และประเภทความเสถียรทางชีวภาพ ในส่วนของวิธีการใช้งาน เซลลูโลสไฮดรอกซีเอทิลสามารถเติมได้ในขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการผลิตสารเคลือบ ประเภทการกระจายตัวอย่างรวดเร็วสามารถเติมได้โดยตรงในรูปแบบผงแห้ง อย่างไรก็ตาม ค่า pH ของระบบก่อนการเติมควรน้อยกว่า 7 เนื่องจากส่วนใหญ่แล้ว เซลลูโลสไฮดรอกซีเอทิลจะละลายช้าเมื่อมีค่า pH ต่ำ และมีเวลาเพียงพอที่น้ำจะแทรกซึมเข้าไปในส่วนภายในของอนุภาค จากนั้นค่า pH จะเพิ่มขึ้นเพื่อให้ละลายอย่างรวดเร็ว ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องยังสามารถใช้ในการเตรียมสารละลายกาวที่มีความเข้มข้นบางอย่างและเติมลงในระบบสารเคลือบ

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแทนที่กลุ่มไฮดรอกซิลบนหน่วยกลูโคสของเซลลูโลสธรรมชาติด้วยกลุ่มเมทอกซี ในขณะที่ส่วนอื่นถูกแทนที่ด้วยกลุ่มไฮดรอกซีโพรพิล ผลการทำให้ข้นนั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกับไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และทนต่อการย่อยสลายด้วยเอนไซม์ แต่ความสามารถในการละลายน้ำไม่ดีเท่าไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และมีข้อเสียคือเกิดเจลเมื่อได้รับความร้อน สำหรับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวแล้ว สามารถเติมลงในน้ำได้โดยตรงเมื่อใช้งาน หลังจากคนและกระจายแล้ว ให้เติมสารที่มีฤทธิ์เป็นด่าง เช่น น้ำแอมโมเนีย เพื่อปรับค่า pH เป็น 8-9 และคนจนละลายหมด สำหรับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่ไม่ได้รับการปรับสภาพพื้นผิว สามารถแช่และทำให้พองตัวด้วยน้ำร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 85°C ก่อนใช้งาน จากนั้นจึงทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง จากนั้นจึงคนด้วยน้ำเย็นหรือน้ำแข็งเพื่อให้ละลายหมด

②สารเพิ่มความข้นอนินทรีย์

สารเพิ่มความข้นชนิดนี้ส่วนใหญ่มักเป็นผลิตภัณฑ์ดินเหนียวที่ผ่านการกระตุ้น เช่น เบนโทไนท์ ดินเหนียวแมกนีเซียมอะลูมิเนียมซิลิเกต เป็นต้น มีลักษณะเด่นคือ นอกจากจะช่วยเพิ่มความหนืดแล้ว ยังมีคุณสมบัติในการแขวนลอยที่ดี สามารถป้องกันการจม และจะไม่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานต่อน้ำของสารเคลือบ หลังจากที่สารเคลือบแห้งและก่อตัวเป็นฟิล์มแล้ว สารเคลือบจะทำหน้าที่เป็นตัวเติมในฟิล์มเคลือบ เป็นต้น ปัจจัยที่ไม่พึงประสงค์คือจะส่งผลต่อการปรับระดับของสารเคลือบอย่างมาก

③ สารเพิ่มความข้นโพลีเมอร์สังเคราะห์

สารเพิ่มความข้นโพลีเมอร์สังเคราะห์ส่วนใหญ่ใช้ในอะคริลิกและโพลียูรีเทน (สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยง) สารเพิ่มความข้นอะคริลิกส่วนใหญ่เป็นโพลิเมอร์อะคริลิกที่มีกลุ่มคาร์บอกซิล ในน้ำที่มีค่า pH 8-10 กลุ่มคาร์บอกซิลจะแตกตัวและบวมขึ้น เมื่อค่า pH มากกว่า 10 จะละลายในน้ำและสูญเสียผลในการเพิ่มความข้น ดังนั้นผลในการเพิ่มความข้นจึงไวต่อค่า pH มาก

กลไกการเพิ่มความหนืดของสารเพิ่มความข้นอะคริเลตก็คือ อนุภาคของสารนี้สามารถดูดซับไว้บนพื้นผิวของอนุภาคลาเท็กซ์ในสี และสร้างชั้นเคลือบหลังจากการบวมของด่าง ซึ่งจะเพิ่มปริมาตรของอนุภาคลาเท็กซ์ ขัดขวางการเคลื่อนที่แบบบราวน์ของอนุภาค และเพิ่มความหนืดของระบบสี ประการที่สอง การบวมของสารเพิ่มความข้นจะเพิ่มความหนืดของเฟสน้ำ

(2) อิทธิพลของสารทำให้ข้นต่อคุณสมบัติการเคลือบ

ผลกระทบของชนิดของสารทำให้ข้นต่อคุณสมบัติการไหลของสารเคลือบมีดังนี้:

เมื่อปริมาณสารทำให้ข้นเพิ่มขึ้น ความหนืดคงที่ของสีจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงความหนืดจะสม่ำเสมอโดยพื้นฐานเมื่อได้รับแรงเฉือนจากภายนอก

ด้วยผลของสารทำให้ข้น ทำให้ความหนืดของสีลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อได้รับแรงเฉือน แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติเทียมพลาสติก

การใช้สารเพิ่มความข้นเซลลูโลสที่ปรับเปลี่ยนคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ (เช่น EBS451FQ) ที่อัตราการเฉือนสูง ความหนืดจะยังคงสูงแม้ว่าจะมีปริมาณมาก

การใช้สารเพิ่มความข้นโพลียูรีเทนแบบเชื่อมโยง (เช่น WT105A) เมื่อมีอัตราการเฉือนสูง ความหนืดจะยังคงสูงแม้ว่าจะมีปริมาณมาก

การใช้สารเพิ่มความข้นอะครีลิก (เช่น ASE60) แม้ว่าความหนืดคงที่จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อมีปริมาณมาก แต่ความหนืดจะลดลงอย่างรวดเร็วที่อัตราเฉือนที่สูงกว่า

3. สารเพิ่มความข้นแบบรวม

(1) กลไกการทำให้หนาขึ้น

สารเพิ่มความข้นอะครีลิกเซลลูโลสอีเธอร์และที่บวมด้วยด่างสามารถทำให้เฟสของน้ำมีความข้นได้เท่านั้น แต่ไม่มีผลในการเพิ่มความข้นกับส่วนประกอบอื่นในสีน้ำ และยังไม่ก่อให้เกิดปฏิสัมพันธ์ที่มีนัยสำคัญระหว่างเม็ดสีในสีกับอนุภาคของอิมัลชัน ดังนั้นจึงไม่สามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของสีได้

สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยงมีลักษณะเฉพาะคือ นอกจากจะเพิ่มความหนาขึ้นจากการเติมน้ำแล้ว สารเพิ่มความข้นยังเพิ่มความหนาขึ้นจากการรวมตัวของตัวมันเอง กับอนุภาคที่กระจัดกระจาย และกับส่วนประกอบอื่นๆ ในระบบ การรวมตัวนี้จะแยกตัวออกเมื่อมีอัตราเฉือนสูง และจะรวมตัวใหม่เมื่อมีอัตราเฉือนต่ำ ทำให้สามารถปรับการไหลของสารเคลือบได้

กลไกการทำให้ข้นของสารทำให้ข้นแบบเชื่อมโยงคือโมเลกุลของมันเป็นโซ่ไฮโดรฟิลิกเชิงเส้นซึ่งเป็นสารประกอบโพลีเมอร์ที่มีกลุ่มไลโปฟิลิกที่ปลายทั้งสองข้าง กล่าวคือมีกลุ่มไฮโดรฟิลิกและกลุ่มไฮโดรโฟบิกในโครงสร้าง ดังนั้นจึงมีลักษณะเฉพาะของโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิว โมเลกุลสารทำให้ข้นดังกล่าวไม่เพียงแต่สามารถให้ความชื้นและพองตัวเพื่อทำให้เฟสของน้ำข้นเท่านั้น แต่ยังสร้างไมเซลล์เมื่อความเข้มข้นของสารละลายในน้ำเกินค่าที่กำหนด ไมเซลล์สามารถเชื่อมโยงกับอนุภาคโพลีเมอร์ของอิมัลชันและอนุภาคของเม็ดสีที่ดูดซับสารกระจายตัวเพื่อสร้างโครงสร้างเครือข่ายสามมิติ และเชื่อมต่อและพันกันเพื่อเพิ่มความหนืดของระบบ

สิ่งที่สำคัญกว่าก็คือ การรวมตัวเหล่านี้จะอยู่ในสภาวะสมดุลแบบไดนามิก และไมเซลล์ที่เกี่ยวข้องเหล่านั้นสามารถปรับตำแหน่งได้เมื่อได้รับแรงจากภายนอก ทำให้การเคลือบมีคุณสมบัติในการปรับระดับ นอกจากนี้ เนื่องจากโมเลกุลมีไมเซลล์หลายตัว โครงสร้างนี้จึงลดแนวโน้มของโมเลกุลน้ำที่จะอพยพ และเพิ่มความหนืดของเฟสของน้ำ

(2) บทบาทในการเคลือบผิว

สารเพิ่มความข้นแบบรวมตัวส่วนใหญ่เป็นโพลียูรีเทน และมีน้ำหนักโมเลกุลสัมพันธ์กันระหว่าง 103-104 ลำดับขนาด ซึ่งน้อยกว่ากรดโพลีอะครีลิกธรรมดาและสารเพิ่มความข้นแบบเซลลูโลสที่มีน้ำหนักโมเลกุลสัมพันธ์ระหว่าง 105-106 ถึง 2 ลำดับขนาด เนื่องจากมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ ปริมาตรที่มีประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นหลังจากการไฮเดรชันจึงน้อยลง ดังนั้นเส้นโค้งความหนืดจึงแบนกว่าเส้นโค้งความหนืดของสารเพิ่มความข้นแบบไม่รวมตัว

เนื่องจากสารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยงมีน้ำหนักโมเลกุลต่ำ การพันกันระหว่างโมเลกุลในเฟสน้ำจึงจำกัด ดังนั้นผลของการทำให้ข้นบนเฟสน้ำจึงไม่สำคัญ ในช่วงอัตราเฉือนต่ำ การแปลงความสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลจะมากกว่าการทำลายความสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล ระบบทั้งหมดจะรักษาสถานะการแขวนลอยและการกระจายโดยธรรมชาติ และความหนืดจะใกล้เคียงกับความหนืดของตัวกลางการกระจาย (น้ำ) ดังนั้น สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยงจึงทำให้ระบบสีน้ำแสดงความหนืดที่ชัดเจนน้อยลงเมื่ออยู่ในช่วงอัตราเฉือนต่ำ

สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยงจะเพิ่มพลังงานศักย์ระหว่างโมเลกุลเนื่องจากการเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคในเฟสที่กระจัดกระจาย ด้วยวิธีนี้ จำเป็นต้องใช้พลังงานมากขึ้นเพื่อทำลายการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลที่อัตราเฉือนสูง และแรงเฉือนที่จำเป็นเพื่อให้ได้ความเครียดเฉือนเท่ากันก็จะมากขึ้นด้วย ดังนั้น ระบบจึงแสดงอัตราเฉือนที่สูงขึ้นที่อัตราเฉือนสูง ความหนืดที่เห็นได้ชัด ความหนืดเฉือนสูงที่สูงขึ้นและความหนืดเฉือนต่ำที่ต่ำลงสามารถชดเชยการขาดสารเพิ่มความข้นทั่วไปในคุณสมบัติการไหลของสี นั่นคือ สารเพิ่มความข้นทั้งสองชนิดสามารถใช้ร่วมกันเพื่อปรับความลื่นไหลของสีน้ำยาง ประสิทธิภาพที่หลากหลาย เพื่อตอบสนองความต้องการที่ครอบคลุมของการเคลือบเป็นฟิล์มหนาและการไหลของฟิล์มเคลือบ