סודות התוספים לציפויים על בסיס מים

תַקצִיר:

1. חומר הרטבה ופיזור

2. מסיר קצף

3. מעבה

4. תוספים יוצרי סרט

5. חומר נגד קורוזיה, נגד טחב ונגד אצות

6. תוספים אחרים

1 חומר הרטבה ופיזור:

ציפויים על בסיס מים משתמשים במים כממס או מדיום פיזור, ולמים יש קבוע דיאלקטרי גדול, כך שציפויים על בסיס מים מיוצבים בעיקר על ידי הדחייה האלקטרוסטטית כאשר השכבה הכפולה החשמלית חופפת. בנוסף, במערכת הציפוי על בסיס מים, יש לרוב פולימרים וחומרי שטח לא-יוניים, הנספגים על פני חומר מילוי הפיגמנט, יוצרים הפרעה סטרית ומייצבים את הפיזור. לכן, צבעים ואמולסיות על בסיס מים משיגים תוצאות יציבות באמצעות פעולה משותפת של דחייה אלקטרוסטטית ומכשול סטרי. החיסרון שלו הוא עמידות ירודה לאלקטרוליטים, במיוחד עבור אלקטרוליטים במחיר גבוה.

1.1 חומר הרטבה

חומרי הרטבה לציפויים הנישאים במים מחולקים לאניוניים ולא יוניים.

השילוב של חומר הרטבה וחומר פיזור יכול להשיג תוצאות אידיאליות. כמות חומר ההרטבה היא בדרך כלל כמה לאלף. ההשפעה השלילית שלו היא קצף והפחתת עמידות למים של סרט הציפוי.

אחת ממגמות הפיתוח של חומרי הרטבה היא להחליף בהדרגה את חומרי ההרטבה של פוליאוקסיאתילן אלקיל (בנזן) פנול אתר (APEO או APE), מכיוון שהוא מוביל להפחתת ההורמונים הזכריים בחולדות ומפריע לאנדוקרינית. אתרי פנול פוליאוקסיאתילן אלקיל (בנזן) נמצאים בשימוש נרחב כמתחלבים במהלך פילמור אמולסיה.

חומרים פעילי שטח תאומים הם גם פיתוחים חדשים. מדובר בשתי מולקולות אמפיפיליות המקושרות על ידי מרווח. התכונה הבולטת ביותר של פעילי שטח תאיים תאומים היא שריכוז המיצל הקריטי (CMC) נמוך ביותר מסדר גודל מזה של פעילי השטח ה"חד-תאיים" שלהם, ואחריו יעילות גבוהה. כמו TEGO Twin 4000, זהו חומר פעיל שטח סילוקסן תאי תאי, ובעל תכונות קצף לא יציב והסרת קצף.

Air Products פיתחה חומרים פעילי שטח של Gemini. לחומרי שטח מסורתיים יש זנב הידרופובי וראש הידרופילי, אך לפעיל שטח חדש זה יש שתי קבוצות הידרופיליות ושתיים או שלוש קבוצות הידרופוביות, שהוא חומר פעיל שטח רב תכליתי, המכונה אצטילן גליקול, מוצרים כגון EnviroGem AD01.

1.2 חומר פיזור

חומרי פיזור לצבע לטקס מחולקים לארבע קטגוריות: חומרי פיזור פוספטים, חומרי פיזור הומפולימרים רב-חומציים, חומרי פיזור קו-פולימריים רב-חומציים וחומרי פיזור אחרים.

חומרי הפיזור הפוספטים הנפוצים ביותר הם פוליפוספטים, כגון סודיום הקסמטפוספט, נתרן פוליפוספט (Calgon N, מוצר של חברת BK Giulini Chemical בגרמניה), אשלגן טריפוליפוספט (KTPP) וטטרה-פוטסיום פירופוספט (TKPP). מנגנון פעולתו הוא לייצב דחייה אלקטרוסטטית באמצעות קשרי מימן וספיחה כימית. היתרון שלו הוא שהמינון נמוך, כ-0.1%, ויש לו אפקט פיזור טוב על פיגמנטים וחומרי מילוי אנאורגניים. אבל יש גם חסרונות: האחד, יחד עם העלאת ערך ה-pH והטמפרטורה, פוליפוספט עובר הידרוליזה בקלות, גורם ליציבות אחסון ארוכת טווח גרועה; פירוק לא שלם במדיום ישפיע על הברק של צבע לטקס מבריק.

חומרי פיזור אסטר פוספט הם תערובות של מונו-אסטרים, דיסטרים, שאריות אלכוהול וחומצה זרחתית.

חומרי פיזור אסטר פוספט מייצבים פיזור פיגמנטים, כולל פיגמנטים תגובתיים כגון תחמוצת אבץ. בניסוחי צבע מבריק, הוא משפר את הברק ואת יכולת הניקוי. בניגוד לתוספי הרטבה ופיזור אחרים, תוספת של חומרי פיזור פוספט אסטרים אינה משפיעה על צמיגות ה-KU וה-ICI של הציפוי.

חומר מפיץ הומפולימר רב-חומצה, כגון Tamol 1254 ו-Tamol 850, Tamol 850 הוא הומפולימר של חומצה מתאקרילית. חומר מפיץ קופולימר רב-חומצתי, כגון אורוטן 731A, שהוא קופולימר של דיאיזובוטילן וחומצה מאלאית. המאפיינים של שני סוגי חומרי פיזור אלו הם שהם מייצרים ספיחה או עיגון חזק על פני השטח של פיגמנטים וחומרי מילוי, בעלי שרשראות מולקולריות ארוכות יותר ליצירת מכשול סטרי, ויש להם מסיסות מים בקצוות השרשרת, וחלקם מתווספים על ידי דחייה אלקטרוסטטית. להשיג תוצאות יציבות. כדי להפוך את חומר הפיזור לבעל יכולת פיזור טובה, יש לשלוט בקפדנות על המשקל המולקולרי. אם המשקל המולקולרי קטן מדי, לא תהיה הפרעה סטרית מספקת; אם המשקל המולקולרי גדול מדי, תתרחש פקקולציה. עבור חומרי פיזור פוליאקרילט, ניתן להשיג את אפקט הפיזור הטוב ביותר אם דרגת הפילמור היא 12-18.

לסוגים אחרים של חומרי פיזור, כמו AMP-95, יש שם כימי של 2-אמינו-2-מתיל-1-פרופנול. קבוצת האמינו נספגת על פני החלקיקים האנאורגניים, וקבוצת ההידרוקסיל משתרעת אל המים, אשר ממלאת תפקיד מייצב באמצעות הפרעה סטרית. בשל גודלו הקטן, המכשול הסטרי מוגבל. AMP-95 הוא בעיקר מווסת pH.

בשנים האחרונות התגבר המחקר על חומרי פיזור על בעיית הצפצופים הנגרמת ממשקל מולקולרי גבוה, והתפתחות משקל מולקולרי גבוה היא אחת המגמות. לדוגמה, חומר הפיזור EFKA-4580 בעל משקל מולקולרי גבוה המיוצר על ידי פילמור אמולסיה פותח במיוחד עבור ציפויים תעשייתיים על בסיס מים, מתאים לפיזור פיגמנטים אורגניים ואי-אורגניים ובעל עמידות טובה למים.

לקבוצות אמינו יש זיקה טובה לפיגמנטים רבים באמצעות חיבור חומצה-בסיס או מימן. מפיץ קופולימר בלוק עם חומצה אמינו-אקרילית כקבוצת העיגון קיבל תשומת לב.

חומר פיזור עם dimethylaminoethyl methacrylate כקבוצת עיגון

תוסף הרטבה ופיזור Tego Dispers 655 משמש בצבעי רכב הנישאים במים לא רק כדי לכוון את הפיגמנטים אלא גם כדי למנוע מאבקת האלומיניום להגיב עם מים.

בשל דאגות סביבתיות פותחו חומרי הרטבה ופיזור מתכלים, כגון חומרי הרטבה ופיזור תאיים מסדרת EnviroGem AE, שהם חומרי הרטבה ופיזור בעלי קצף נמוך.

2 מסיר קצף:

ישנם סוגים רבים של מסירי צבע מסורתיים על בסיס מים, המחולקים בדרך כלל לשלוש קטגוריות: מסירי קצף שמן מינרלי, מסירי קצף פוליסילוקסן ומסירי קצף אחרים.

נעשה שימוש נפוץ במסירי קצף בשמן מינרלי, בעיקר בצבעי לטקס שטוחים ומבריק למחצה.

למסירי קצף של פוליסילוקסן יש מתח משטח נמוך, יכולות מניעת קצף ומניעת קצף חזקות, ואינם משפיעים על הברק, אך בשימוש לא נכון, הם יגרמו לפגמים כמו התכווצות של סרט הציפוי ויכולת ציפוי מחדש לקויה.

מסירי צבע מסורתיים על בסיס מים אינם תואמים את שלב המים כדי להשיג את מטרת הסרת הקצף, כך שקל לייצר פגמים משטחים בסרט הציפוי.

בשנים האחרונות פותחו מסירי קצף ברמה מולקולרית.

חומר נוגד קצף זה הוא פולימר שנוצר על ידי השתלה ישירה של חומרים פעילים נוגדי קצף על החומר הנשא. לשרשרת המולקולרית של הפולימר קבוצת הידרוקסיל מרטיבה, החומר הפעיל המסיר קצף מופץ מסביב למולקולה, החומר הפעיל אינו קל להצטבר, והתאימות למערכת הציפוי טובה. מסירי קצף ברמה מולקולרית כאלה כוללים שמנים מינרליים - סדרת FoamStar A10, המכילים סיליקון - סדרת FoamStar A30, ופולימרים שאינם סיליקון, שאינם שמן - סדרת FoamStar MF.

כמו כן, דווח שמסיר קצף ברמה מולקולרית משתמש בפולימרי כוכבים מושתלים במיוחד כחומרי שטח בלתי תואמים, והשיג תוצאות טובות ביישומי ציפוי על בסיס מים. מסיר הקצף בדרגה מולקולרית של Air Products שדווח על ידי Stout et al. הוא חומר בקרת קצף המבוסס על אצטילן גליקול ומסיר קצף עם שתי תכונות הרטבה, כגון Surfynol MD 20 ו- Surfynol DF 37.

בנוסף, על מנת לענות על הצרכים של ייצור ציפויים אפס-VOC, קיימים גם מסירי קצף נטולי VOC כמו Agitan 315, Agitan E 255 וכו'.

3 מעבים:

ישנם סוגים רבים של מעבים, כיום בשימוש נפוץ הם אתר תאית ונגזרותיו מעבים, מעבים אסוציאטיביים המתנפחים אלקלי (HASE) ומעבים פוליאוריטן (HEUR).

3.1. אתר תאית ונגזרותיו

תאית הידרוקסיאתיל (HEC) הופקה לראשונה באופן תעשייתי על ידי חברת Union Carbide בשנת 1932, ויש לה היסטוריה של יותר מ-70 שנה. כיום, המעבים של אתר תאית ונגזרותיו כוללים בעיקר תאית הידרוקסיאתיל (HEC), מתיל הידרוקסיאתיל תאית (MHEC), אתיל הידרוקסיאתיל תאית (EHEC), תאית בסיס מתיל הידרוקסיפרופיל (MHPC), מתיל תאית (MC) ו-xanthan gum, וכו', אלו הם מעבים לא-יוניים, ושייכים גם למעבי פאז מים שאינם קשורים. ביניהם, HEC הוא הנפוץ ביותר בשימוש בצבעי לטקס.

תאית שעברה שינוי הידרופובי (HMHEC) מציגה כמות קטנה של קבוצות אלקיל הידרופוביות ארוכות שרשרת על עמוד השדרה ההידרופילי של תאית כדי להפוך לחומר מעבה אסוציאטיבי, כגון Natrosol Plus Grade 330, 331, Cellosize SG-100, Bermocoll EHM-100. אפקט העיבוי שלו דומה לזה של מעבי אתר תאית בעלי משקל מולקולרי גדול בהרבה. זה משפר את הצמיגות והפילוס של ICI, ומפחית את מתח הפנים, כגון מתח הפנים של HEC הוא בערך 67mN/m, ומתח הפנים של HMHEC הוא 55-65mN/m.

3.2 מעבה מתנפח אלקלי

מעבים מתנפחים אלקליים מחולקים לשתי קטגוריות: מעבים מתנפחים אלקליים שאינם אסוציאטיביים (ASE) ומסמים מתנפחים אלקליים אסוציאטיביים (HASE), שהם מעבים אניונים. ASE לא קשור הוא תחליב מתנפח אלקלי מפוליאקרילט. Associative HASE הוא אמולסיה מתנפחת אלקלית בעלת שינוי הידרופובי.

3.3. מעבה פוליאוריטן ומעבה לא פוליאוריטן שעבר שינוי הידרופובי

מעבה פוליאוריטן, המכונה HEUR, הוא פולימר מסיס במים מסיס במים של פוליאוריטן שעבר שינוי בקבוצה הידרופובי, השייך למעבה אסוציאטיבי לא-יוני. HEUR מורכב משלושה חלקים: קבוצה הידרופובית, שרשרת הידרופלית וקבוצת פוליאוריטן. לקבוצה ההידרופוביה יש תפקיד אסוציאטיבי והיא הגורם המכריע לעיבוי, בדרך כלל אולייל, אוקטדציל, דודצילפניל, נונילפנול וכו'. השרשרת ההידרופלית יכולה לספק יציבות כימית ויציבות צמיגות, הנפוצים בשימוש הם פוליאתרים, כגון פוליאוקסיאתילן ונגזרותיו. השרשרת המולקולרית של HEUR מורחבת על ידי קבוצות פוליאוריטן, כגון IPDI, TDI ו-HMDI. התכונה המבנית של מעבים אסוציאטיביים היא שהם מסתיימים על ידי קבוצות הידרופוביות. עם זאת, מידת ההחלפה של קבוצות הידרופוביות בשני הקצוות של כמה HEURs הזמינים מסחרית נמוכה מ-0.9, והטוב ביותר הוא רק 1.7. יש לשלוט בקפדנות על תנאי התגובה כדי להשיג מעבה פוליאוריטן עם חלוקת משקל מולקולרית צרה וביצועים יציבים. רוב HEURs מסונתזים על ידי פילמור צעד, כך HEURs הזמינים מסחרית הם בדרך כלל תערובות של משקלים מולקולריים רחבים.

ריצ'י וחב'. השתמשו במעבה תרסיס פלורסנט של פירן (PAT, משקל מולקולרי ממוצע מספר 30000, משקל מולקולרי ממוצע 60000) כדי לגלות שבריכוז של 0.02% (משקל), דרגת הצבירה המיצלית של Acrysol RM-825 ו-PAT הייתה בערך 6. אנרגיית האסוציאציה בין המעבה לבין פני השטח של חלקיקי לטקס היא כ-25 KJ/mol; השטח התפוס על ידי כל מולקולת מעבה PAT על פני השטח של חלקיקי לטקס הוא בערך 13 ננומטר 2, שזה בערך השטח שנכבש על ידי חומר הרטבה Triton X-405 פי 14 מזה של 0.9 ננומטר 2. מעבה פוליאוריטן אסוציאטיבי כגון RM-2020NPR, DSX 1550 וכו'.

הפיתוח של מעבי פוליאוריטן אסוציאטיביים ידידותיים לסביבה זכה לתשומת לב רחבה. לדוגמה, BYK-425 הוא מעבה פוליאוריטן ללא VOC ו-APEO. Rheolate 210, Borchi Gel 0434, Tego ViscoPlus 3010, 3030 ו-3060 הם זהו מעבה פוליאוריטן אסוציאטיבי ללא VOC ו-APEO.

בנוסף למעבי פוליאוריטן אסוציאטיביים ליניאריים שתוארו לעיל, ישנם גם מעבי פוליאוריטן אסוציאטיביים דמויי מסרק. מה שנקרא מעבה פוליאוריטן מסרק פירושו שיש קבוצה הידרופוביה תלויה באמצע כל מולקולת מעבה. מעבים כמו SCT-200 ו- SCT-275 וכו'.

מעבה האמינופלסט שעבר שינוי הידרופובי (מעבה אמינופלסט עם שינוי הידרופובי-HEAT) משנה את שרף האמינו המיוחד לארבע קבוצות הידרופוביות עם מכסה, אך התגובתיות של ארבעת אתרי התגובה הללו שונה. בהוספה רגילה של קבוצות הידרופוביות, יש רק שתי קבוצות הידרופוביות חסומות, ולכן מעבה האמינו הסינטטי המותאם הידרופובי אינו שונה בהרבה מ-HEUR, כמו Optiflo H 500. אם מוסיפים עוד קבוצות הידרופוביות, כמו עד 8%, ניתן להתאים את תנאי התגובה לייצור מעבות אמינו עם מספר קבוצות הידרופוביות חסומות. כמובן שזה גם מעבה מסרק. מעבה אמינו שונה הידרופובי זה יכול למנוע מצמיגות הצבע לרדת עקב תוספת של כמות גדולה של חומרים פעילי שטח וממיסי גליקול בעת הוספת התאמת צבע. הסיבה היא שקבוצות הידרופוביות חזקות יכולות למנוע ספיגה, ולמספר קבוצות הידרופוביות יש קשר חזק. מעבים כמו Optiflo TVS.

מעבה פוליאתר שונה הידרופובי (HMPE) הביצועים של מעבה פוליאתר שעבר שינוי הידרופובי דומים ל-HEUR, והמוצרים כוללים את Aquaflow NLS200, NLS210 ו-NHS300 של Hercules.

מנגנון העיבוי שלו הוא ההשפעה הן של קשר מימן והן של חיבור של קבוצות קצה. בהשוואה למעבים נפוצים, יש לו תכונות אנטי-שיקוע ואנטי-צניחה טובות יותר. על פי הקוטביות השונות של קבוצות הקצה, ניתן לחלק את מעבי הפוליאוריאה המותאמים לשלושה סוגים: מעבי פוליאוריה עם קוטביות נמוכה, מעבי פוליאוריה בקוטביות בינונית ומעבי פוליאוריה בעלת קוטביות גבוהה. השניים הראשונים משמשים לעיבוי ציפויים על בסיס ממס, בעוד שמעבי פוליאוריה בעלי קוטביות גבוהה יכולים לשמש הן לציפויים על בסיס ממיסים בעלי קוטביות גבוהה והן לציפויים על בסיס מים. מוצרים מסחריים בעלי קוטביות נמוכה, קוטביות בינונית ומעבי פוליאוריה בקוטביות גבוהה הם BYK-411, BYK-410 ו-BYK-420 בהתאמה.

תמיסת שעווה של פוליאמיד שונה היא תוסף ריאולוגי המסונתז על ידי החדרת קבוצות הידרופיליות כגון PEG לשרשרת המולקולרית של שעוות האמיד. כיום, חלק מהמותגים מיובאים ומשמשים בעיקר להתאמת הטיקסוטרופיה של המערכת ושיפור האנטי-תיקזוטרופיה. ביצועים נגד שקיעה.