¿Conoce esa persona el propósito y mecanismo de asociación y espesamiento de los agentes? Gracias
1.
La pintura diluida en agua existe desde hace décadas. Hace 50 años, la pintura de látex ocupaba una posición importante en la industria de los recubrimientos. Existe un interés creciente en el uso de pinturas de látex en una amplia gama de aplicaciones, como la sustitución de pinturas alquídicas que contienen disolventes orgánicos, y este número ha aumentado significativamente. Entre ellas, la razón más importante es que esta pintura a base de agua es más respetuosa con el medio ambiente. Como sustituto de los recubrimientos de resina alquídica con alto brillo, fácil construcción y buenas propiedades de nivelación, este recubrimiento a base de agua tendrá muchos problemas, como humectabilidad, formación de espuma, secado, mala nivelación, capacidad de brocha y membrana, etc. Las últimas tres propiedades se ven particularmente afectadas por la reología. Normalmente, la reología de las pinturas de látex convencionales se ajusta mediante el efecto auxiliar de espesantes de celulosa. Las propiedades reológicas del recubrimiento difieren de las de los recubrimientos alquídicos tradicionales.
La curva de viscosidad (reología) de esta pintura de látex muestra una relación no lineal entre la viscosidad y la velocidad de corte. Un aumento en la velocidad de corte provoca una disminución de la viscosidad (viscosidad estructural). Para las pinturas alquídicas, cuando la viscosidad disminuye ligeramente, la viscosidad estructural de la pintura disminuye. Esta diferencia en reología ilustra las diferencias en flujo y espesor de recubrimiento entre pinturas de látex y alquídicas. Los espesantes de poliuretano o PUR son uno de los logros más importantes en el campo de los aditivos reológicos.
Este espesante asociativo se utiliza en la formulación de recubrimientos base agua que tienen propiedades reológicas consistentes con los recubrimientos alquídicos. Este artículo presentará en detalle el rendimiento y los usos de esta serie de espesadores PUR y los comparará con los espesadores tradicionales.
2. Reología
La reología es una ciencia que estudia la fluidez de los materiales.
2.1 Comportamiento del flujo y caudal
El flujo líquido se divide en flujo laminar y flujo turbulento. Si las personas mueven varias capas de líquido infinitamente delgadas y paralelas (que pueden considerarse como la composición del líquido) en relación con otra capa, no habrá mezcla de las capas de líquido y este flujo de líquido es un flujo laminar. Si las capas líquidas se mezclan, el flujo es flujo de difusión. La turbulencia ocurre cuando una gran cantidad de energía introducida (utilizada para hacer que el líquido fluya) se pierde y no se utiliza para fines de flujo real. En el flujo laminar, las capas de líquido no se mezclan entre sí. Por tanto, el flujo laminar es más fácil de explicar en términos matemáticos. En la producción y aplicación de recubrimientos, el flujo laminar es el método de flujo de líquidos más importante.
2.2 Esfuerzo cortante, fuerza cortante y viscosidad
Asumimos que un cierto volumen de líquido que contiene infinitas capas de líquido ahora ejerce una fuerza sobre la capa superior, y la dirección de la fuerza es paralelo a cada interfaz de capa.
La magnitud de la fuerza es k (Newton)
El área superficial de la capa es 0 (m2)
En este caso, la fuerza actúa sobre m2
Esta tensión es la tensión cortante, representada por τ. El esfuerzo cortante es la fuerza que provoca el movimiento relativo de dos capas de líquido adyacentes.
τ = k/o (Newtons/metro cuadrado)
Debido al esfuerzo cortante ejercido sobre la capa superior de todo el volumen del líquido, esta capa es empujada a fluir en la dirección de la fuerza. Debido a que la capa de líquido adyacente soporta la capa de líquido a través de un esfuerzo cortante, la capa de líquido no puede fluir libremente. A su vez, esta capa líquida soporta la capa líquida adyacente mediante tensión cortante. Espera un momento. En cuanto a la capa inferior de líquido, debido a que está restringida por la superficie plana de cepillado de líquido, la capa está firmemente adherida a esta superficie y no se moverá. Divida la diferencia de velocidad según la distancia para obtener la velocidad de corte d (es decir, gradiente de corte y velocidad de corte). Si la velocidad de la capa superior se especifica como v y el espesor total de cada capa es y, se obtiene la siguiente fórmula:
D = Velocidad de corte
V/Y = metros /segundo1/ Metros = segundos -1
El cociente de τ y d es el coeficiente de viscosidad eta, denominado "viscosidad".
η = τ/d = Newton segundos por metro cuadrado o Pascal segundos (pa. s)
La viscosidad es una medida de la resistencia al flujo mediante la cual se evita que un líquido se deforme .
2.3 Instrumento de medición de propiedades reológicas
Si un recubrimiento típico se agita antes de su uso, su velocidad de corte suele estar entre 10 y 100 s-1.
Dentro de este rango, las mediciones se realizan utilizando dos viscosímetros ampliamente utilizados en la industria de recubrimientos, a saber, el viscosímetro Brookfield y el viscosímetro Stormer.
Sin embargo, en la mayoría de los métodos convencionales, como la pulverización, el recubrimiento con rodillo y el recubrimiento con brocha, la velocidad de corte varía de 10.000 a 40.000 s-1. Debido a que los recubrimientos a menudo exhiben características de flujo pseudoplástico, los viscosímetros no son adecuados para medir rangos de velocidad de corte altos (por encima de 1000 seg-1) y, por lo tanto, no pueden proporcionar datos sobre el rendimiento de la viscosidad de los recubrimientos durante la aplicación. Los instrumentos que pueden medir el corte en un amplio rango incluyen el Haake Rotovisco, el viscosímetro Ferranti-Shirley y el Contraves Rheomat.
Se puede lograr un compromiso utilizando un viscosímetro que mida el rango medio (como Brookfield, Storm) y un dispositivo que mida el rango superior (como el viscosímetro de placa y cono ICI).
3. Espesantes de pintura
Los siguientes son espesantes para pinturas al agua:
l Espesante de celulosa
l Polisacárido
l Espesante acrílico soluble en álcali
l Espesante de poliuretano
3.1 Espesante de celulosa
En el pasado Durante 50 años, los espesantes de celulosa han sido uno de los aditivos reológicos más importantes en recubrimientos a base de agua. Aunque la celulosa es insoluble en agua, se puede disolver en agua mediante reacciones químicas. Entre los espesantes de celulosa más conocidos se encuentran:
Hidroxietilcelulosa
Hidroxipropilmetilcelulosa: HPMC
Carboximetilcelulosa:CMC
Etilhidroxietilcelulosa:EHEC
La molécula de celulosa es una cadena polimérica que contiene muchas unidades de anhidroglucosa.
La viscosidad aumenta mediante la formación de enlaces de hidrógeno intermoleculares e intramoleculares, así como mediante la hidratación de cadenas moleculares (Figura 3) y el entrelazamiento de cadenas. En otras palabras, los espesantes celulósicos espesan la fase acuosa independientemente de aglutinantes, pigmentos y aditivos.
Esta cadena molecular es larga, ramificada y parcialmente rizada. En otros casos, las cadenas moleculares se encuentran en un estado idealmente desordenado (alta viscosidad). A medida que aumenta la velocidad de corte, los componentes se vuelven cada vez más paralelos a la dirección del flujo y se deslizan más fácilmente de una molécula a otra, es decir, tienen baja viscosidad (Ref. 2). Por tanto, este espesante celulósico presenta pseudoplasticidad y viscosidad estructural. Con éteres de celulosa de alto peso molecular se pueden obtener importantes propiedades de fluidez pseudoplásticas. Los efectos positivos y negativos de los espesantes de celulosa se resumen a continuación:
Espesantes de celulosa
Efectos positivos
General Motors Company
Flowabilidad
Efectos negativos
l Nivelación
l Pseudoplasticidad
l Pulverización
l Pintura Formación de capas
l Poder cubriente
l Sensibilidad al agua
l Estabilidad biológica
3.2 Polisacárido
Los polisacáridos incluyen espesantes de xantato y espesantes de goma guar, que son productos naturales de alto peso molecular. El uso de estos productos da como resultado viscosidades estructurales más altas que los espesantes celulósicos. Los efectos positivos y negativos sobre los polisacáridos en comparación con la celulosa se resumen a continuación:
Polisacáridos
Efectos positivos
lEstabilidad biológica
Efectos negativos
l Mala repetibilidad
l Precio
l Nivelación
De hecho, estos espesantes se utilizan en la industria de recubrimientos No juega un papel importante role.
3.3 Acrilatos
Los acrilatos son los primeros espesantes completamente sintetizados por el ser humano y se utilizan en pinturas de látex. Por lo general, los espesantes acrílicos son * * * polímeros de ácido acrílico o ácido metacrílico y polímeros * * * ternarios (incluidos metacrilato de metilo y acrilato de etilo).
Estos espesantes son aproximadamente un 40% de soluciones y emulsiones ácidas. Disolver las cadenas de polímeros por neutralización. Debido a este efecto y a la repulsión electrostática de los grupos poliméricos en una misma molécula, la viscosidad de la solución aumenta. A diferencia de los espesantes de celulosa, que aumentan la viscosidad mediante el pandeo de las cadenas moleculares, el peso molecular es relativamente bajo, por lo que el aumento de la viscosidad es menor. Los espesantes acrílicos tienen una viscosidad estructural más baja en comparación con los espesantes celulósicos. La desventaja es que las moléculas de ácido acrílico son altamente hidrófilas después de la reacción de neutralización, lo que afecta la resistencia de la pintura al hinchamiento del agua y provoca la floculación del pigmento. Finalmente, una gran cantidad de grupos de ácido carboxílico quedan adsorbidos en la superficie de pigmentos convencionales como el dióxido de titanio.
Hay muchos grupos carboxilo en la misma molécula y las cadenas moleculares largas pueden formar puentes lo suficientemente largos como para conectar dos partículas de pigmento independientes. Los efectos positivos y negativos de los espesantes de poliacrilato se resumen a continuación:
Espesantes acrílicos
Efectos positivos
l Nivelación
lEstabilidad biológica
lEspesor del recubrimiento
lCompatibilidad con pasta pigmentaria
Efectos negativos
l Valor de pH Estabilidad
Resistencia al frote
lAdhesión del revestimiento intermedio
lBrillo
lRetención de agua
3.4 Espesante inorgánico
El suelo expansivo es uno de los más famosos espesantes inorgánicos.
Los espesantes para recubrimientos base agua se pueden obtener previa activación con compuestos orgánicos específicos (Referencia 3). Estos espesantes se utilizan específicamente en recubrimientos industriales y recubrimientos tixotrópicos y sus propiedades son las siguientes:
Espesantes inorgánicos
Efectos positivos
Antisedimentación
lSin flujo
lEstabilidad biológica
Efectos negativos
lNivelación
lBrillo
l Sensibilidad al tensioactivo
l Miscibilidad
3.5 Espesante PUR
Espesante de poliuretano El espesante PUR es un aditivo de recubrimiento a base de agua. Uno de los avances más importantes en el campo de la industria farmacéutica. Este espesante sintético se basa en poliuretano soluble en agua y tiene un peso molecular relativamente bajo (aproximadamente de 10.000 a 50.000). Proporcionan formulaciones de recubrimiento a base de agua con propiedades reológicas similares a las resinas alquídicas. El rendimiento de los espesantes PUR se resume a continuación (en comparación con los espesantes celulósicos):
Espesantes PUR
Efectos positivos
l Nivelación
l Propiedades reológicas similares a las resinas alquídicas
l Capacidad de ocultación
l Hidrofobicidad
l Evita salpicaduras de pintura cuando se utiliza el revestimiento con rodillo.
lEstabilidad biológica
Efectos negativos
lFlacidez
lCompatibilidad con recubrimientos de tóner que contienen etilenglicol Propiedades
El producto químico La composición, el mecanismo de acción y las características de aplicación del espesante PUR son los siguientes.
4 Composición química de los espesantes de PUR
Los espesantes de PUR suelen contener polímeros hidrofóbicos no iónicos. El polímero es líquido, como una solución acuosa al 50% y un disolvente orgánico también puede estar en forma de polvo; Los diisocianatos reaccionan con glicoles y agentes bloqueantes hidrófilos para producir polímeros de poliuretano. Aquí está la fórmula estructural química de un ejemplo:
En esta fórmula estructural, R y R” son hidrofóbicos, alifáticos o aromáticos respectivamente. En esta molécula, se puede dividir en los siguientes tres fragmentos diferentes:
1) Parte terminal hidrofóbica
2) Varios segmentos hidrofílicos
3) Grupo carbamato
La parte hidrofóbica puede ser oleílo, estearoílo, El factor decisivo que influye en el aumento de la viscosidad es la inclusión de al menos dos segmentos terminales hidrófobos por molécula. Los segmentos hidrófilos son, por ejemplo, poliésteres de maleato de glicol y poliéteres como polietilenglicol o derivados de polietilenglicol. Las propiedades del producto de estos espesantes de PUR no solo dependen de estos componentes básicos, sino que también dependen de la proporción de segmentos hidrofóbicos a segmentos hidrofílicos.
5 Mecanismo de espesamiento
Grupos hidrofóbicos y grupos hidrofílicos. en la misma molécula la aparición de grupos indica una actividad superficial específica. En soluciones acuosas, las micelas sólo pueden formarse en determinadas concentraciones características. A diferencia de los tensioactivos monoméricos, la misma molécula de espesante de PU puede aparecer en varias micelas (Referencia 1).
En los sistemas de pintura de látex, la asociación de grupos hidrofóbicos con la superficie de las partículas de emulsionante tiene un mayor efecto en el aumento de PUR. Los espesantes también se denominan espesantes asociativos porque es una asociación. formado entre los grupos hidrófobos y las partículas de emulsionante Dado que cada molécula de PUR contiene al menos dos segmentos hidrófobos (ver punto 4), las dos partículas de polímero en emulsión pueden unirse entre sí mediante moléculas de PUR para formar un "esqueleto". de la misma manera que las micelas de la molécula PUR (ver Figura 7). Grupos hidrofóbicos y propiedades de las partículas de polímero en emulsión.
Por lo tanto, las emulsiones más finas (con mayor área superficial total) se espesan más fácilmente con espesantes PUR que las emulsiones de mayor tamaño de partículas.
Esta estructura establecida entre el espesante PUR y las partículas de la emulsión puede resistir eficazmente la acción mecánica y lograr una buena fluidez newtoniana.
El espesante PUR puede aumentar la viscosidad a través de los siguientes efectos espesantes:
1) Aumentar la viscosidad de la solución al disolver el polímero PUR
2) Formación de micelas y; /o formación de micelas entre PUR;
3) Asociación con partículas de polímero en emulsión.
Basado en la experiencia, se ha descubierto que cuando se utiliza en pinturas de látex y otros recubrimientos, su efecto de aumento de la viscosidad es de una reducción del orden de 3>:2>1 (Referencia 1).
6 Características de Aplicación
6.1 Reología
La estructura formada por la asociación del espesante PUR y las partículas de la emulsión puede resistir eficazmente la acción mecánica y obtener una buena movilidad newtoniana.
Las altas velocidades de corte y la alta viscosidad pueden aumentar la resistencia al cepillo en comparación con los espesantes de celulosa. Debido al peso molecular relativamente bajo de las moléculas de PUR, los espesantes de PUR pueden evitar salpicaduras de pintura durante la aplicación con rodillo. Los espesantes PUR se pueden utilizar en pinturas de látex con un contenido de pigmento medio a alto debido a sus propiedades de baja proyección, a menudo en combinación con espesantes de celulosa.
6.2 Asociación
Los espesantes PUR se presentan en muchas formas: solución de agua/disolvente orgánico, solución acuosa o polvo. Se agrega polvo de espesante PUR para formar una solución acuosa al 3 % (o una mezcla de agua y glicol) como materia prima para lotes de producción, o se muele para preparar un espesante de recuperación. Sólo cuando se combina con partículas de emulsión se pueden lograr las mejores propiedades de formación de viscosidad. Dependiendo de la posibilidad de asociación se requiere un tiempo de maduración determinado, desde 2 horas hasta 2 días. Para ajustar la reología, se recomienda ajustar primero la viscosidad a velocidades de cizallamiento altas. La viscosidad es proporcional a la concentración y depende de las características del sistema. La viscosidad a velocidades de cizallamiento bajas puede ser mayor para garantizar buenas propiedades de nivelación. La adición de glicol o éter de glicol puede reducir la viscosidad en este rango. Este efecto también se puede conseguir con aditivos de polietilenglicol y tensioactivos. Estos tensioactivos previenen la formación de enlaces asociativos débiles con las partículas de la emulsión.
6.3 Formulación de recubrimiento
Muchos ingredientes comúnmente utilizados en las formulaciones de recubrimiento afectarán la eficacia de los espesantes PUR. Con base en los patrones de espesamiento anteriores (es decir, asociación y formación de micelas), se puede ver claramente que estos componentes afectarán la asociación entre el espesante de PUR y las partículas de polímero, y la formación de dichas micelas también afectará al espesante de PUR. efecto del espesante. Aquí mencionaremos los siguientes aspectos:
a) Los tensioactivos se utilizan para estabilizar las partículas de polímero en emulsión. Estos tensioactivos compiten directamente con los espesantes PUR durante el proceso de asociación. Asimismo, los espesantes de PUR también se adsorben directamente sobre partículas de polímero a través de moléculas de tensioactivos.
b) Disolventes orgánicos solubles en agua, como etilenglicol y éter glicólico. Los disolventes orgánicos solubles en agua pueden debilitar la formación de micelas porque su contribución a la formación del esqueleto se reduce debido a la diferencia en la tensión interfacial entre las micelas y la fase continua y la reducción en el número de micelas.
c) Los dispersantes, como los poliacrilatos de bajo peso molecular, se utilizan a menudo para dispersar y estabilizar pigmentos en recubrimientos a base de agua. Según la teoría de Kun-Landau-Verwey-Overbeck (teoría de la estabilidad de la dispersión) de Deilgat, los polielectrolitos pueden aumentar el número de moléculas en las micelas. Esto significa que se pueden utilizar moléculas espesantes con menor pureza para unir micelas o partículas de polímero. Como resultado, la fuerza de los huesos disminuye.
d) Ingredientes solubles en agua, como aditivos filmógenos y antiespumantes. Los ingredientes solubles en agua suelen tener el efecto de aumentar la viscosidad. Dado que el producto se puede disolver en las micelas, el volumen de las micelas aumenta y, por tanto, la distancia entre las micelas y las partículas de polímero disminuye. Por lo tanto, algunas moléculas, incluidos los espesantes de PUR de bajo peso molecular, pueden participar en la formación de puentes y del esqueleto para aumentar la resistencia y la viscosidad del esqueleto (Referencia 1). Los "disolventes" también pueden ablandar la superficie de las partículas de polímero, aumentando así la adhesión de los grupos hidrófobos de las moléculas de PUR.
6.4 Propiedades del recubrimiento
El espesante PUR contiene polímeros hidrofóbicos. En comparación con los espesantes hidrófilos (como poliacrilatos y éteres de celulosa), los espesantes PUR pueden reducir la absorción de agua de las películas de recubrimiento. Pero es evidente que existen grandes diferencias entre los distintos espesantes de PUR, y la composición y cantidad del componente hidrófobo juega un papel decisivo.
Maíz en polvo
Porcentaje en peso
Espesante PUR I
Espesante PUR II
22%
32,5
Figura 10: Absorción de agua del revestimiento de pintura después de 24 horas.
Espesante Puri I: insoluble en agua, por ejemplo
Espesante PUR II: soluble en agua
Espesante PUR en términos de durabilidad Superior a la mayoría de celulosas hidrofílicas y poliacrilatos.
Espesor de película 200μm
Polvo de maíz
%
7 días
28 días
Espesante PUR I
1,0
949 ciclos
1020 ciclos
Hidroxietilcelulosa
0,30
344 ciclos
474 ciclos
Poliacrilato
0,35
412 ciclos
593 ciclos
Figura 11: Resistencia al rayado (según DIN 53778)
7 Conclusión
La descripción anterior muestra que PUR La actividad de los espesantes se debe a su capacidad para formar micelas y asociarse con partículas de emulsión. Los espesantes PUR también pueden interactuar con otros componentes como disolventes y aditivos.
En comparación con los espesantes tradicionales, los espesantes PUR pueden mejorar el efecto nivelador y el espesor de la película. Además, utilice un rodillo para reducir las salpicaduras al aplicar pintura. En términos de propiedades de la película, como la sensibilidad al agua, el brillo y la blancura, la composición química del espesante PUR tiene un impacto significativo.
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