คู่มือฉบับย่อที่สุดเกี่ยวกับเทคโนโลยีการเพิ่มความหนืดของสีน้ำ

1. คำจำกัดความและหน้าที่ของสารเพิ่มความข้น

สารเติมแต่งที่สามารถเพิ่มความหนืดของสีน้ำได้อย่างมาก เรียกว่า สารเพิ่มความหนืด (thickener)

สารเพิ่มความหนืดมีบทบาทสำคัญในการผลิต การเก็บรักษา และการก่อสร้างวัสดุเคลือบผิว

หน้าที่หลักของสารเพิ่มความหนืดคือการเพิ่มความหนืดของสารเคลือบให้ตรงตามข้อกำหนดในขั้นตอนการใช้งานต่างๆ อย่างไรก็ตาม ความหนืดที่สารเคลือบต้องการในแต่ละขั้นตอนจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น:

ในระหว่างกระบวนการจัดเก็บ ควรมีความหนืดสูงเพื่อป้องกันไม่ให้สีตกตะกอน

ในระหว่างกระบวนการก่อสร้าง ควรเลือกสีที่มีความหนืดปานกลาง เพื่อให้ทาได้ง่ายโดยไม่ทำให้เกิดคราบสีมากเกินไป

หลังจากก่อสร้างเสร็จแล้ว คาดหวังว่าความหนืดจะกลับคืนสู่ระดับสูงได้อย่างรวดเร็วหลังจากช่วงเวลาสั้นๆ (กระบวนการปรับระดับ) เพื่อป้องกันการหย่อนตัว

ความลื่นไหลของสีเคลือบชนิดที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลายนั้นไม่เป็นไปตามกฎของนิวตัน

เมื่อความหนืดของสีลดลงเมื่อแรงเฉือนเพิ่มขึ้น จะเรียกว่าของเหลวแบบพลาสติกเทียม และสีส่วนใหญ่เป็นของเหลวแบบพลาสติกเทียม

เมื่อพฤติกรรมการไหลของของเหลวแบบพลาสติกเทียมมีความสัมพันธ์กับประวัติการเปลี่ยนแปลง กล่าวคือ ขึ้นอยู่กับเวลา เราจะเรียกของเหลวนั้นว่าของเหลวแบบทิกโซโทรปิก

ในกระบวนการผลิตสารเคลือบ เรามักพยายามทำให้สารเคลือบมีคุณสมบัติแบบทิกโซโทรปิกโดยตั้งใจ เช่น การเติมสารเติมแต่ง

เมื่อค่าความหนืดของสารเคลือบมีความเหมาะสม จะสามารถแก้ไขข้อขัดแย้งในขั้นตอนต่างๆ ของการเคลือบ และตอบสนองความต้องการทางเทคนิคของความหนืดที่แตกต่างกันของสารเคลือบในขั้นตอนการจัดเก็บ การปรับระดับในงานก่อสร้าง และการอบแห้งได้

สารเพิ่มความหนืดบางชนิดสามารถทำให้สีมีคุณสมบัติทิกโซโทรปีสูง ทำให้สีมีความหนืดสูงขึ้นในขณะหยุดนิ่งหรือที่อัตราการเฉือนต่ำ (เช่น ในระหว่างการจัดเก็บหรือการขนส่ง) เพื่อป้องกันไม่ให้เม็ดสีในสีตกตะกอน และภายใต้อัตราการเฉือนสูง (เช่น ในกระบวนการเคลือบ) สีจะมีความหนืดต่ำ ทำให้สีเคลือบมีความลื่นไหลและเรียบเนียนเพียงพอ

คุณสมบัติการไหลแบบทิกโซโทรปี (Thixotropy) แสดงด้วยดัชนีทิกโซโทรปี (TI) และวัดด้วยเครื่องวัดความหนืดของ Brookfield

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

2. ประเภทของสารเพิ่มความหนืดและผลกระทบต่อคุณสมบัติของสารเคลือบ

(1) ประเภท ในแง่ขององค์ประกอบทางเคมี สารเพิ่มความข้นแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ อินทรีย์และอนินทรีย์

ประเภทอนินทรีย์ ได้แก่ เบนโทไนต์ แอตตาพัลไจต์ อะลูมิเนียมแมกนีเซียมซิลิเกต ลิเธียมแมกนีเซียมซิลิเกต เป็นต้น ส่วนประเภทอินทรีย์ ได้แก่ เมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส โพลีอะคริเลต โพลีเมทาคริเลต กรดอะคริลิก หรือเมทิลอะคริลิกโฮโมพอลิเมอร์หรือโคพอลิเมอร์ และโพลียูรีเทน เป็นต้น

จากมุมมองของอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยีของสารเคลือบ สารเพิ่มความหนืดแบ่งออกเป็นสารเพิ่มความหนืดแบบทิกโซโทรปิกและสารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยง ในแง่ของข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ ปริมาณสารเพิ่มความหนืดควรมีน้อยและให้ผลในการเพิ่มความหนืดที่ดี ไม่ถูกกัดกร่อนได้ง่ายโดยเอนไซม์ เมื่ออุณหภูมิหรือค่า pH ของระบบเปลี่ยนแปลง ความหนืดของสารเคลือบจะไม่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และเม็ดสีและสารเติมแต่งจะไม่จับตัวเป็นก้อน มีเสถียรภาพในการจัดเก็บที่ดี กักเก็บน้ำได้ดี ไม่มีปรากฏการณ์ฟองอากาศที่เห็นได้ชัด และไม่มีผลเสียต่อประสิทธิภาพของฟิล์มเคลือบ

①สารเพิ่มความหนืดเซลลูโลส

สารเพิ่มความหนืดเซลลูโลสที่ใช้ในสารเคลือบส่วนใหญ่ได้แก่ เมทิลเซลลูโลส ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลส โดยสองชนิดหลังเป็นที่นิยมใช้มากกว่า

ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแทนที่หมู่ไฮดรอกซิลบนหน่วยกลูโคสของเซลลูโลสธรรมชาติด้วยหมู่ไฮดรอกซีเอทิล โดยคุณสมบัติและรุ่นของผลิตภัณฑ์จะแบ่งแยกตามระดับการแทนที่และความหนืดเป็นหลัก

ไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสยังแบ่งออกเป็นประเภทละลายปกติ ประเภทกระจายตัวเร็ว และประเภทคงตัวทางชีวภาพ ส่วนวิธีการใช้งานนั้น สามารถเติมไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสได้ในขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการผลิตสีเคลือบ ประเภทกระจายตัวเร็วสามารถเติมได้โดยตรงในรูปผงแห้ง อย่างไรก็ตาม ค่า pH ของระบบก่อนเติมควรต่ำกว่า 7 เนื่องจากไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลสละลายช้าที่ค่า pH ต่ำ ทำให้มีเวลาเพียงพอที่น้ำจะแทรกซึมเข้าไปภายในอนุภาค จากนั้นจึงเพิ่มค่า pH เพื่อให้ละลายได้เร็วขึ้น หรืออาจใช้วิธีการเดียวกันโดยการเตรียมสารละลายกาวที่มีความเข้มข้นที่เหมาะสมแล้วเติมลงในระบบสีเคลือบก็ได้

ไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแทนที่หมู่ไฮดรอกซิลบนหน่วยกลูโคสของเซลลูโลสธรรมชาติด้วยหมู่เมทอกซี ในขณะที่ส่วนอื่นถูกแทนที่ด้วยหมู่ไฮดรอกซีโพรพิล คุณสมบัติในการเพิ่มความหนืดนั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และทนต่อการย่อยสลายด้วยเอนไซม์ แต่ความสามารถในการละลายในน้ำไม่ดีเท่าไฮดรอกซีเอทิลเซลลูโลส และมีข้อเสียคือจะเกิดการจับตัวเป็นเจลเมื่อได้รับความร้อน สำหรับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่ผ่านการปรับสภาพพื้นผิวแล้ว สามารถเติมลงในน้ำได้โดยตรงเมื่อใช้งาน หลังจากคนและกระจายตัวแล้ว ให้เติมสารอัลคาไลน์ เช่น แอมโมเนีย เพื่อปรับค่า pH ให้เป็น 8-9 และคนจนละลายหมด สำหรับไฮดรอกซีโพรพิลเมทิลเซลลูโลสที่ไม่ได้ปรับสภาพพื้นผิว สามารถแช่และทำให้พองตัวด้วยน้ำร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 85°C ก่อนใช้งาน จากนั้นทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง แล้วคนด้วยน้ำเย็นหรือน้ำแข็งเพื่อให้ละลายหมด

②สารเพิ่มความข้นแบบอนินทรีย์

สารเพิ่มความข้นประเภทนี้ส่วนใหญ่เป็นผลิตภัณฑ์ดินเหนียวที่ผ่านการกระตุ้น เช่น เบนโทไนต์ ดินเหนียวแมกนีเซียมอะลูมิเนียมซิลิเกต เป็นต้น มีคุณสมบัติเด่นคือ นอกจากจะเพิ่มความหนืดแล้ว ยังมีคุณสมบัติในการแขวนลอยที่ดี ป้องกันการยุบตัว และไม่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานต่อน้ำของสารเคลือบ เมื่อสารเคลือบแห้งและก่อตัวเป็นฟิล์มแล้ว สารเพิ่มความข้นนี้จะทำหน้าที่เป็นสารเติมเต็มในฟิล์มเคลือบ เป็นต้น ข้อเสียคือจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเรียบของสารเคลือบ

③ สารเพิ่มความหนืดโพลีเมอร์สังเคราะห์

สารเพิ่มความหนืดที่เป็นพอลิเมอร์สังเคราะห์ส่วนใหญ่ใช้ในอะคริลิกและโพลียูรีเทน (สารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยง) สารเพิ่มความหนืดในอะคริลิกส่วนใหญ่เป็นพอลิเมอร์อะคริลิกที่มีหมู่คาร์บอกซิล ในน้ำที่มีค่า pH 8-10 หมู่คาร์บอกซิลจะแตกตัวและบวมขึ้น เมื่อค่า pH มากกว่า 10 หมู่คาร์บอกซิลจะละลายในน้ำและสูญเสียฤทธิ์ในการเพิ่มความหนืด ดังนั้นฤทธิ์ในการเพิ่มความหนืดจึงไวต่อค่า pH มาก

กลไกการเพิ่มความหนืดของสารเพิ่มความหนืดอะคริเลตคือ อนุภาคของสารดังกล่าวสามารถดูดซับบนพื้นผิวของอนุภาคลาเท็กซ์ในสี และก่อตัวเป็นชั้นเคลือบหลังจากบวมตัวด้วยด่าง ซึ่งจะเพิ่มปริมาตรของอนุภาคลาเท็กซ์ ขัดขวางการเคลื่อนที่แบบบราวน์ของอนุภาค และเพิ่มความหนืดของระบบสี ประการที่สอง การบวมตัวของสารเพิ่มความหนืดจะเพิ่มความหนืดของเฟสน้ำ

(2) อิทธิพลของสารเพิ่มความข้นต่อคุณสมบัติของสารเคลือบ

ผลกระทบของชนิดของสารเพิ่มความหนืดต่อคุณสมบัติทางรีโอโลยีของสารเคลือบมีดังนี้:

เมื่อปริมาณสารเพิ่มความข้นเพิ่มขึ้น ความหนืดสถิตของสีจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก และแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงความหนืดโดยพื้นฐานแล้วจะคงที่เมื่อได้รับแรงเฉือนจากภายนอก

ด้วยผลของสารเพิ่มความหนืด ความหนืดของสีจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อได้รับแรงเฉือน แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติแบบพลาสติกเทียม

การใช้สารเพิ่มความหนืดเซลลูโลสที่ดัดแปลงให้มีคุณสมบัติไม่ชอบน้ำ (เช่น EBS451FQ) แม้จะใช้ในปริมาณมาก แต่ที่อัตราการเฉือนสูง ความหนืดก็ยังคงสูงอยู่

การใช้สารเพิ่มความหนืดประเภทโพลียูรีเทนแบบเชื่อมโยง (เช่น WT105A) ที่อัตราการเฉือนสูง ความหนืดจะยังคงสูงอยู่แม้จะมีปริมาณมากก็ตาม

การใช้สารเพิ่มความหนืดอะคริลิก (เช่น ASE60) แม้ว่าความหนืดสถิตจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อปริมาณมาก แต่ความหนืดจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออัตราการเฉือนสูงขึ้น

3. สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยง

(1) กลไกการหนาตัว

สารเพิ่มความข้นประเภทเซลลูโลสอีเทอร์และอะคริลิกที่บวมตัวได้ในสภาวะด่าง สามารถเพิ่มความหนืดเฉพาะส่วนที่เป็นน้ำเท่านั้น แต่ไม่มีผลต่อการเพิ่มความหนืดของส่วนประกอบอื่นๆ ในสีน้ำ และไม่สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาที่สำคัญระหว่างเม็ดสีในสีกับอนุภาคของอิมัลชันได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถปรับความหนืดของสีได้

สารเพิ่มความข้นแบบเชื่อมโยง (Associative thickeners) มีลักษณะเฉพาะคือ นอกจากจะเพิ่มความข้นผ่านกระบวนการไฮเดรชั่นแล้ว ยังเพิ่มความข้นผ่านการเชื่อมโยงระหว่างตัวมันเอง กับอนุภาคที่กระจายตัวอยู่ และกับส่วนประกอบอื่นๆ ในระบบ การเชื่อมโยงนี้จะสลายตัวที่อัตราแรงเฉือนสูง และจะเชื่อมโยงกันอีกครั้งที่อัตราแรงเฉือนต่ำ ทำให้สามารถปรับคุณสมบัติทางรีโอโลยีของสารเคลือบได้

กลไกการเพิ่มความหนืดของสารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยงคือ โมเลกุลของมันเป็นสายโซ่ไฮโดรฟิลิกเชิงเส้น เป็นสารประกอบพอลิเมอร์ที่มีหมู่ลิโปฟิลิกอยู่ที่ปลายทั้งสองข้าง กล่าวคือ มีทั้งหมู่ไฮโดรฟิลิกและไฮโดรโฟบิกอยู่ในโครงสร้าง จึงมีคุณสมบัติคล้ายกับโมเลกุลของสารลดแรงตึงผิว โมเลกุลของสารเพิ่มความหนืดดังกล่าวไม่เพียงแต่สามารถดูดซับน้ำและบวมตัวเพื่อเพิ่มความหนืดของเฟสน้ำเท่านั้น แต่ยังสามารถก่อตัวเป็นไมเซลล์ได้เมื่อความเข้มข้นของสารละลายในน้ำเกินค่าที่กำหนด ไมเซลล์เหล่านี้สามารถรวมตัวกับอนุภาคพอลิเมอร์ของอิมัลชันและอนุภาคสีที่ดูดซับสารช่วยกระจายตัวไว้ เพื่อสร้างโครงสร้างเครือข่ายสามมิติ และเชื่อมต่อและพันกันเพื่อเพิ่มความหนืดของระบบ

สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่าคือ การเชื่อมโยงเหล่านี้อยู่ในสภาวะสมดุลแบบไดนามิก และไมเซลล์ที่เชื่อมโยงกันเหล่านั้นสามารถปรับตำแหน่งของตนเองได้เมื่อได้รับแรงภายนอก ทำให้สารเคลือบมีคุณสมบัติในการปรับระดับ นอกจากนี้ เนื่องจากโมเลกุลมีไมเซลล์หลายตัว โครงสร้างนี้จึงช่วยลดแนวโน้มการเคลื่อนที่ของโมเลกุลน้ำ และทำให้ความหนืดของเฟสของเหลวเพิ่มขึ้น

(2) บทบาทในการเคลือบผิว

สารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยงส่วนใหญ่เป็นโพลียูรีเทน โดยมีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์อยู่ระหว่าง 10³-10⁴ ซึ่งต่ำกว่ากรดโพลีอะคริลิกและเซลลูโลสทั่วไปที่มีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์อยู่ระหว่าง 10⁵-10⁶ ถึงสองอันดับ เนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลต่ำ การเพิ่มปริมาตรที่มีประสิทธิภาพหลังจากการไฮเดรชั่นจึงน้อยกว่า ดังนั้นเส้นกราฟความหนืดจึงแบนราบกว่าสารเพิ่มความหนืดแบบไม่เชื่อมโยง

เนื่องจากน้ำหนักโมเลกุลต่ำของสารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยงกัน การพันกันระหว่างโมเลกุลในเฟสน้ำจึงมีจำกัด ดังนั้นผลในการเพิ่มความหนืดในเฟสน้ำจึงไม่มากนัก ในช่วงอัตราการเฉือนต่ำ การเปลี่ยนสถานะการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลมีมากกว่าการทำลายการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุล ระบบโดยรวมจึงรักษาสภาพการแขวนลอยและการกระจายตัวตามธรรมชาติ และความหนืดจะใกล้เคียงกับความหนืดของตัวกลางการกระจายตัว (น้ำ) ดังนั้น สารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยงกันจึงทำให้ระบบสีน้ำมีความหนืดปรากฏต่ำลงเมื่ออยู่ในช่วงอัตราการเฉือนต่ำ

สารเพิ่มความหนืดแบบเชื่อมโยงจะเพิ่มพลังงานศักยภาพระหว่างโมเลกุลเนื่องจากการเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคในเฟสกระจายตัว ด้วยวิธีนี้ จึงต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการทำลายการเชื่อมโยงระหว่างโมเลกุลที่อัตราการเฉือนสูง และแรงเฉือนที่จำเป็นเพื่อให้ได้ความเครียดเฉือนเท่ากันก็จะมากขึ้นด้วย ดังนั้นระบบจึงแสดงความหนืดปรากฏที่สูงขึ้นที่อัตราการเฉือนสูง ความหนืดที่สูงขึ้นที่อัตราการเฉือนสูงและความหนืดที่ต่ำลงที่อัตราการเฉือนต่ำสามารถชดเชยการขาดสารเพิ่มความหนืดทั่วไปในคุณสมบัติทางรีโอโลยีของสีได้ กล่าวคือ สารเพิ่มความหนืดทั้งสองชนิดสามารถใช้ร่วมกันเพื่อปรับความลื่นไหลของสีลาเท็กซ์ได้ ประสิทธิภาพที่แปรผันได้ เพื่อตอบสนองความต้องการที่ครอบคลุมของการเคลือบเป็นฟิล์มหนาและการไหลของฟิล์มเคลือบ