1. Визначення та функція загусника
Добавки, які можуть значно збільшити в'язкість водоемульсійних фарб, називаються загусниками.
Загусники відіграють важливу роль у виробництві, зберіганні та будівництві покриттів.
Основна функція загусника полягає у збільшенні в'язкості покриття для задоволення вимог різних етапів використання. Однак в'язкість, необхідна для покриття на різних етапах, різна. Наприклад:
Під час зберігання бажано мати високу в'язкість, щоб запобігти осіданню пігменту;
Під час будівництва бажано мати помірну в'язкість, щоб забезпечити хорошу здатність фарби до нанесення пензлем без надмірного її розфарбовування;
Після будівництва сподіваються, що в'язкість може швидко повернутися до високої в'язкості після короткої затримки (процес вирівнювання), щоб запобігти просіданню.
Текучість водорозчинних покриттів не є ньютонівською.
Коли в'язкість фарби зменшується зі збільшенням сили зсуву, її називають псевдопластичною рідиною, і більша частина фарби є псевдопластичною рідиною.
Коли поведінка потоку псевдопластичної рідини пов'язана з її історією, тобто залежить від часу, її називають тиксотропною рідиною.
Під час виробництва покриттів ми часто свідомо намагаємося зробити їх тиксотропними, наприклад, додаючи добавки.
Коли тиксотропія покриття є відповідною, вона може вирішити суперечності різних етапів нанесення покриття та задовольнити технічні потреби різної в'язкості покриття на етапах зберігання, вирівнювання будівництва та сушіння.
Деякі загусники можуть надавати фарбі високу тиксотропію, завдяки чому вона має вищу в'язкість у стані спокою або при низькій швидкості зсуву (наприклад, під час зберігання або транспортування), що запобігає осіданню пігменту у фарбі. А при високій швидкості зсуву (наприклад, у процесі нанесення покриття) вона має низьку в'язкість, завдяки чому покриття має достатню текучість та вирівнювання.
Тиксотропію представлено тиксотропним індексом TI та вимірюється віскозиметром Брукфілда.
TI = в'язкість (виміряна при 6 об/хв) / в'язкість (виміряна при 60 об/хв)
2. Типи загусників та їх вплив на властивості покриття
(1) Типи За хімічним складом загусники поділяються на дві категорії: органічні та неорганічні.
Неорганічні типи включають бентоніт, атапульгіт, силікат алюмінію магнію, силікат літію магнію тощо, органічні типи, такі як метилцелюлоза, гідроксиетилцелюлоза, поліакрилат, поліметакрилат, гомополімер або сополімер акрилової кислоти або метилакрилової кислоти та поліуретан тощо.
З точки зору впливу на реологічні властивості покриттів, загусники поділяються на тиксотропні та асоціативні загусники. Щодо вимог до експлуатаційних характеристик, кількість загусника повинна бути меншою, а ефект загущення – добрим; він не легко руйнується ферментами; при зміні температури або значення pH системи в'язкість покриття суттєво не зменшується, а пігмент і наповнювач не флокулюють; добра стабільність при зберіганні; добре утримує воду, не має помітного піноутворення та не впливає негативно на експлуатаційні характеристики плівки покриття.
①Целюлозний загусник
Целюлозні загусники, що використовуються в покриттях, - це переважно метилцелюлоза, гідроксиетилцелюлоза та гідроксипропілметилцелюлоза, причому два останні використовуються частіше.
Гідроксиетилцелюлоза – це продукт, отриманий шляхом заміни гідроксильних груп у глюкозних одиницях природної целюлози гідроксиетиловими групами. Специфікації та моделі продуктів в основному розрізняються за ступенем заміщення та в'язкістю.
Різновиди гідроксиетилцелюлози також поділяються на типи нормального розчинення, швидкого диспергування та біологічної стабільності. Що стосується способу використання, гідроксиетилцелюлозу можна додавати на різних етапах процесу виробництва покриття. Швидкодиспергуючий тип можна додавати безпосередньо у вигляді сухого порошку. Однак значення pH системи перед додаванням має бути менше 7, головним чином тому, що гідроксиетилцелюлоза розчиняється повільно при низькому значенні pH, і є достатньо часу для проникнення води всередину частинок, а потім значення pH підвищують, щоб забезпечити її швидке розчинення. Відповідні кроки також можна використовувати для приготування певної концентрації розчину клею та додавання його до системи покриття.
Гідроксипропілметилцелюлоза– це продукт, отриманий шляхом заміни гідроксильної групи в глюкозній одиниці натуральної целюлози метоксигрупою, тоді як інша частина замінюється гідроксипропіловою групою. Його загусний ефект в основному такий самий, як і у гідроксиетилцелюлози. Він стійкий до ферментативного розкладу, але його розчинність у воді гірша, ніж у гідроксиетилцелюлози, і має недолік – гелеутворення при нагріванні. Поверхнево оброблену гідроксипропілметилцелюлозу можна безпосередньо додавати до води під час використання. Після перемішування та диспергування додайте лужні речовини, такі як аміачна вода, щоб відрегулювати значення pH до 8-9, і перемішуйте до повного розчинення. Гідроксипропілметилцелюлозу без поверхневої обробки можна замочити та набухнути гарячою водою вище 85°C перед використанням, потім охолодити до кімнатної температури, а потім перемішати з холодною або крижаною водою до повного розчинення.
②Неорганічний загусник
Цей вид загусника в основному являє собою деякі активовані глиняні продукти, такі як бентоніт, магнієво-алюмосилікатна глина тощо. Він характеризується тим, що, окрім загущувального ефекту, також має хороший суспендуючий ефект, може запобігти просіданню та не впливає на водостійкість покриття. Після висихання та формування плівки він діє як наповнювач у плівці покриття тощо. Несприятливим фактором є те, що він суттєво впливає на вирівнювання покриття.
③ Синтетичний полімерний загусник
Синтетичні полімерні загусники здебільшого використовуються в акрилі та поліуретані (асоціативні загусники). Акрилові загусники – це здебільшого акрилові полімери, що містять карбоксильні групи. У воді зі значенням pH 8-10 карбоксильна група дисоціює та набухає; коли значення pH перевищує 10, вона розчиняється у воді та втрачає загусник, тому загусник дуже чутливий до значення pH.
Механізм загущення акрилатного загусника полягає в тому, що його частинки можуть адсорбуватися на поверхні латексних частинок у фарбі та утворювати шар покриття після набухання лугом, що збільшує об'єм латексних частинок, перешкоджає броунівському руху частинок та підвищує в'язкість лакофарбової системи. По-друге, набухання загусника збільшує в'язкість водної фази.
(2) Вплив загусника на властивості покриття
Вплив типу загусника на реологічні властивості покриття полягає в наступному:
Коли кількість загусника збільшується, статична в'язкість фарби значно зростає, і тенденція зміни в'язкості в основному стабільна при дії зовнішньої сили зсуву.
Під дією загусника в'язкість фарби швидко падає, коли вона піддається зсувній силі, демонструючи псевдопластичність.
При використанні гідрофобно модифікованого целюлозного загусника (такого як EBS451FQ) при високих швидкостях зсуву в'язкість залишається високою навіть за великої кількості.
При використанні асоціативних поліуретанових загусників (таких як WT105A) при високих швидкостях зсуву в'язкість залишається високою навіть за великої кількості.
При використанні акрилових загусників (таких як ASE60), хоча статична в'язкість швидко зростає при великій кількості, в'язкість швидко зменшується при вищій швидкості зсуву.
3. Асоціативний загусник
(1) механізм загущення
Загусники на основі ефіру целюлози та акрилу, що набухають лугами, можуть загущувати лише водну фазу, але не мають загущувального впливу на інші компоненти фарби на водній основі, а також не можуть спричинити суттєвої взаємодії між пігментами у фарбі та частинками емульсії, тому реологію фарби неможливо регулювати.
Асоціативні загусники характеризуються тим, що, окрім загущення шляхом гідратації, вони також загущаються шляхом асоціації між собою, з диспергованими частинками та з іншими компонентами системи. Ця асоціація дисоціюється при високих швидкостях зсуву та повторно асоціюється при низьких швидкостях зсуву, що дозволяє регулювати реологію покриття.
Механізм загущення асоціативного загусника полягає в тому, що його молекула являє собою лінійний гідрофільний ланцюг, полімерну сполуку з ліпофільними групами на обох кінцях, тобто вона має гідрофільні та гідрофобні групи в структурі, тому має характеристики молекул поверхнево-активної речовини. Такі молекули загусника можуть не тільки гідратуватися та набухати, згущуючи водну фазу, але й утворювати міцели, коли концентрація їх водного розчину перевищує певне значення. Міцели можуть асоціюватися з полімерними частинками емульсії та частинками пігменту, які адсорбували диспергатор, утворюючи тривимірну сітчасту структуру, а також взаємопов'язані та заплутуються, збільшуючи в'язкість системи.
Що ще важливіше, ці асоціації перебувають у стані динамічної рівноваги, і ці асоційовані міцели можуть коригувати своє положення під впливом зовнішніх сил, завдяки чому покриття має вирівнювальні властивості. Крім того, оскільки молекула має кілька міцел, така структура зменшує схильність молекул води до міграції і таким чином збільшує в'язкість водної фази.
(2) Роль у покриттях
Більшість асоціативних загусників є поліуретанами, а їх відносні молекулярні маси становлять від 103 до 104 порядків, що на два порядки менше, ніж у звичайних загусників на основі поліакрилової кислоти та целюлози з відносними молекулярними масами від 105 до 106. Через низьку молекулярну масу ефективне збільшення об'єму після гідратації менше, тому крива в'язкості більш полога, ніж у неасоціативних загусників.
Через низьку молекулярну масу асоціативного загусника його міжмолекулярне зв'язування у водній фазі обмежене, тому його загусний вплив на водну фазу незначний. У діапазоні низьких швидкостей зсуву перетворення асоціації між молекулами більше, ніж руйнування асоціації між молекулами, вся система підтримує властивий суспензійний та дисперсійний стан, а в'язкість близька до в'язкості дисперсійного середовища (води). Таким чином, асоціативний загусник призводить до зниження видимої в'язкості водорозчинної фарбової системи в області низьких швидкостей зсуву.
Асоціативні загусники збільшують потенційну енергію між молекулами завдяки зв'язку між частинками в дисперсній фазі. Таким чином, для розриву зв'язку між молекулами при високих швидкостях зсуву потрібна більша енергія, а сила зсуву, необхідна для досягнення тієї ж деформації зсуву, також більша, так що система демонструє вищу швидкість зсуву при високих швидкостях зсуву. Видима в'язкість. Вища в'язкість при високих зсувних зусиллях та нижча в'язкість при низьких зсувних зусиллях можуть лише компенсувати відсутність поширених загусників у реологічних властивостях фарби, тобто два загусники можна використовувати разом для регулювання плинності латексної фарби. Змінна продуктивність, що відповідає комплексним вимогам покриття у товсту плівку та течії плівки покриття.
Час публікації: 28 квітня 2024 р.