غلظت دهنده پلی اورتان چیست؟

ظهور غلظت دهنده های پلی اورتان PUR (PU در ادبیات امریکا) یک پیشرفت عظیم در ادتیوهای رئولوژی بوده است که در سال 1970 معرفی شدند و بخاطر مکانیسم فعالیت، غلظت دهنده های ترکیبی نامیده شدند و تبدیل به یکی از مهم ترین غلظت دهنده ها در پوشش ها و رنگهای پایه آبی گشتند.

در مقایسه با غلظت دهنده های آلی آکریلیک و سلولزاین مواد فلو و لولینگ بهتری دارند و مخصوصا ً در رنگهای براق توصیه شده اند که با نشان دادن نتایج خوب در سیستم های آبی دیگر، استفاده از آنها در صنعت رنگ رو به گسترش است. این مواد تقریبا ً طبیعت هیدروفوب دارند و در رنگهای امولسیون پرپیگمنت اعمالی با غلطک پاشش کمتری به اطراف دارند.

رئولوژی رنگهای امولسیون متداول با غلظت دهنده های سلولزی تنظیم شده که در مقایسه با رنگهای حلالی آلکیدی خواص فلو و لولینگ متفاوتی دارند.

ویسکوزیته رنگ امولسیونی غیر خطی و رابطه معکوس با نیروی برشی دارد در حالیکه رفتار ویسکوزیته رنگ آلکیدی بیشتر نیوتنی و کمتر ساختاری می باشد و فقط در ابتدای امر کاهش نامحسوسی در ویسکوزیته اتفاق می افتد بنابراین اختلاف زیادی بین این دو سیستم در خواص وابسته به رئولوژی چون پایداری رنگ، فلو، یکنواختی و شره وجود دارد. مثلا ً با داشتن ویسکوزیته ساختاری بالاتر در نیروی برشی پایین تر، فلوی نامناسب و مقاومت شره خوب و ویسکوزیته پایین تر در نیروی برشی بالاتر برس خوری نامناسب دارند.

ساختار شیمیایی و فرم تحویل

غلظت دهنده های PUR، معمولا پلیمرهای غیر یونی هیدروفوب سنتزی بر پایه پلی اورتان محلول در آب و با وزن مولکولی پایین (5000 تا 10000) می باشند که می توان در فرم پودری یا مایع حتی با غلظت 50% در آب یا حلال آلی تهیه کرد.

سه جزء در ساختار مشخص است:

-سگمنت انتهای هیدروفوب

-چند سگمنت هیدروفیلیک

-گروه اورتان

سگمنت های هیدروفوب، اولیل، استریل، دودسیل فنیل و نونیل فنیل می باشندکه روی رفتار جذبی ماده اثر بسیار زیادی دارند.

ماده می تواند ساختارهای مولکولی متفاوتی داشته باشد اما  PUR خطی و شانه ای بیشترین کارایی را در عمل داد.

مهمترین عامل تأثیرگذار در افزایش ویسکوزیته داشتن حداقل دو انتهای هیدروفوبیک می باشد. این سگمنت های هیدروفولیک می توانند پلی استری یا پلی اتری مثل مالئیک اسید، اتیلن گلیکول پلی استر و یا پلی اتیلن گلیکول و مشتقاتش باشند و دی ایزوسیانات ها هم عبارتند از: IPDI، TDI و H₁₂MDI.

خواص غلظت دهنده PUR نه تنها به اجزا پایه، بلکه به نسبت سگمنت هیدروفولیک به هیدروفوب هم وابسته می باشد.

از دو نوع فرم امکان پذیر تحویلی برای PUR می توان فرم پودری را بدون حلال و در حدود 3%  وزنی استفاده کرد و فرم مایع را با رقیق کردن در غلظت های مختلف در آب یا آب/گلیکول تهیه نمود.

مکانیسم غلظت دهندگی

حضور گروههای هیدروفوب و هیدروفیلیک در یک مولکول، فعالیت سطح خاصی را به ماده می دهد که در غلظت خاصی از ماده در آب، مایسل ها تشکیل می شوند. در مقایسه با مواد سطح فعال مونومری حضور مولکول PUR در بیش از یک مایسل باعث کاهش حرکات مولکول های آب و افزایش ویسکوزیته می شود.

سگمنت های هیدروفوب مولکول می تواند روی سطح بایندر، امولسیون پلیمر و بسته به خواص سطح روی سطوح مواد جامد مثل پیگمنت و یا پرکننده ها جذب شود که جذب یا ترکیب گروه هیدروفوب با ذرات امولسیون در کارکرد غلظت دهنده بسیار مهم می باشد.

با وجود حداقل دو سگمنت هیدروفوب در مولکول PUR ذرات امولسیون پلیمر می توانند بهم وصل شده و ساختار سه بعدی یا شبکه تشکیل دهند و به همین روش باز می توانند با مایسل ها رابطه برقرار کرده و ساختار متراکم تر شود. تشکیل شبکه مانع از حرکت فاز مایع در سیستم شده و ویسکوزیته افزایش پیدا می کند که میزان ترکیب وابسته به خاصیت گروه هیدروفوب و خواص سطحی ذرات امولسیون پلیمر و بایندر دارد مثلا امولسیون ریزتر نسبت به درشت تر یعنی سطح بیشتر و غلظت دهندگی بیشتر با PUR. مشخص شده است که تعداد اتصالات موجود در هر مولکول رابطه مستقیم با میزان غلظت دهندگی تحت نیروی برشی دارد که با مقاوم بودن ساختار تشکیل شده از غلظت دهنده PUR و ذرات امولسیون در برابر تأثیرات مکانیکی رفتار سیستم تقریبا ً نیوتنی می شود.

افزایش ویسکوزیته سیستم نتیجه مجموعه اتفاقات زیر است:

1)حل شدن پلیمر PUR وافزایش ویسکوزیته آب

2)تشکیل مایسل و یا ایجاد ارتباط بین مایسل های PUR

3)ترکیب با ذرات امولسیون

تأثیر مواد بالا روی ویسکوزیته به صورت 1<2<3 است. بنابراین سومین فاکتور بیشترین تأثیر را روی غلظت سیستم می گذارد.

خواص کاربردی غلظت دهنده

خواص عمومی

غلظت دهنده های PUR تحولی جدید در رنگهای پایه آب بوده اند و خواص این غلظت دهنده در مقایسه با سلولز اترها بصورت ذیل است:

-فلو لولینگ بهتر

-رفتار و ئولوژی آلکید مانند

-پشت پوششی

-خواص هیدروفوبی

-کاهش پاشش به اطراف در اعمال با غلطک

-پایداری بیولوژیکی

نقاط ضعف:

-مقاوت شره

-سازگاری با خمیرهای تینتی گلیکول دار

غلظت دهندگی در ناحیه برشی متوسط و بالا

غلظت دهنده های PUR را می توان با توجه به کارکرد آنها در نیروی برشی متوسط و زیاد طبقه بندی و بررسی کرد.

غلظت دهنده های PUR نیروی برشی متوط

در این سیستم ها، با افزایش شدید ویسکوزیته در نیروی برشی متوسط (s^-1 10 تا 1000(، پایداری مقاومتی رنگ بیشتر شده و رفتار رئولوژیکی پوشش نیوتنی می شود اما با بالا رفتن نیرو و گسستگی ساختار رفتار جریان شبیه پلاستیکی شده و ویسکوزیته کاهش می یابد. این رفتار را می توان با کنده شدن PUR از روی ذرات اولسیون توجیه کرد که هرچه قدرت اتصال بین PUR  وذرات امولسیون بیشتر باشد کاهش ویسکوزیته کمتر است.

دلیل دیگر این پدیده از بین رفتن تجمعات پیگمنت تحت نیروی برشی می باشد.

غلظت دهنده PUR نیروی برشی بالا

با بهبود ساختار غلظت دهنده با سگمنت های هیدروفوب چند عاملی غلظت دهنده های جدید معرفی شدند که در آن ماده با قدرت بیشتری به ذرات امولسیون چسبیده و مقاومت سیستم در برابر نیروهای برشی بزرگتر(محدوده s^-1 1000) افزایش می یابد که به همین دلیل این مواد در رنگهای امولسیونی مقاوم در برابر نیرو کاربرد پیدا کردند.

متأسفانه غلظت دهندگی این مواد در مقایسه با سری قبل در مقابل نیروی برشی متوسط و پایین کم است که در نتیجه از ترکیبی از این غلظت دهنده ها استفاده شود.

کاربرد

با پایداری ساختار سیستم در برابر تغییرات مکانیکی و ایجاد رفتار تقریبا ً نیوتنی، رئولوژی رنگ های پایه آب دارای غلظت دهنده های پلی اورتانی همانند رنگهای آلکید حلالی می گردد.

در نتیجه برس خوری، فلو، لولینگ و خواص دیگر فیلم مثل ضخامت را به نسبت غلظت دهنده های سلولزی بهتر می توان تنظیم کرد و همچنین بعلت وزن مولکولی پایین و رفتار الاستیکی کمتر این غلظت دهنده ها، پاشش رنگهای اعمالی با غلطک به اطراف اصلاح می شود.

ویسکوزیته مناسب بعد از تعادل واکنش ترکیبی بین ذرات امولسیون و مایسل ها و با دادن زمان مناسب مثلا ً 2ساعت یا دو روز (وابسته به نوع غلظت دهنده و امولسیون) به سیستم ایجاد می شود.

که در ابتدا ویسکوزیته در نیروی برشی بالا تنظیم می شود که این ویسکوزیته معمولا ً کمتر از میزان ماکزیمم و متناسب با درصد غلظت دهنده می باشدو بعد از ویسکوزیته درنیروای برشی پایین و متوسط تنظیم می شود.

از عوامل اثر گذار بر سیستم حلال های آلی و مواد سطح فعال می باشد که حلال های آلی محلول در آب مثل اتیلن یا پروپیلن گلیکول، با کاستن از مقدار مایسل ها و به تبع آن کاهش دانسیته شبکه ویسکوزیته سیستم را کاهش می دهند و همچنین با ضعیف شدن رابطه مایسل ها با هم، اتصال ها تحت نیروی برشی شکسته شده و رفتار نیوتنی سیستم ضعیف می شود.

مواد سطح فعال علاوه بر داشتن اثری همانند حلال، در تشکیل مایسل و ترکیب با ذرات امولسیون با غلظت دهنده های ترکیبی رقابت می کنند.

در رنگهای پر پیگمنت و یا متوسط پیگمنت با چشم پوشی از خواص فلو معمولا ً برای بهبود شره از ترکیب غلظت دهنده های PUR و غلظت دهنده های تنش پایین مثل سلولزی یا آکریلات استفاده می شود.

فرمولاسیون پوشش ها با غلظت دهنده های PUR

عوامل مؤثر بر تشکیل مایسل ها و ارتباطات ذرات امولسیونی بر روی رابطه ترکیبی غلظت دهنده با ذرات امولسیون و به تبع آن ویسکوزیته اثر می گذارند که عبارتند از:

-مواد سطح فعال پایدار کننده ذرات امولسیونی پلیمر که در فرایند ترکیب و جذب با غلظت دهنده PUR رقابت می کنند و گاهی اوقات ممکن است که غلظت دهنده های PUR بتوانند از طریق آنها جذب اجزاء پلیمر شوند.

-حلالهای آلی محلول درآب مثل اتیلن، پروپیلن گلیکول و گلیکول با کاهش اختلاف سطحی بین مایسل ها و فاز آبی، آنها را باز یا کاهش می دهند.

-مواد دیسپرس کننده و پایدار کننده ی پلی الکترولیت با وزن مولکولی پایین مثل نمک های پلی آکریلات، بر طبق تئوری DLVO، تعداد ذرات حاصل در مایسل را افزایش می دهند بنابراین با کاهش تعداد مایسل ها و پل های بین مایسل و امولسیون، دانسیته و قدرت ساختار کاهش می یابد.

-با حل شدن ادتیوهای نامحلول در آب مثل ادتیوهای پیوستگی و ضدکف در مایسل ها و افزایش حجم آنها و کاهش فاصله ها می توان از غلظت دهنده های PUR با وزن مولکولی پایین که هم در پل سازی و هم در تشکیل شاختار شرکت می کنند استفاده نمود که در نتیجه ساختار محکمتر شده و ویسکوزیته افزایش می یابد. همچنین مواد پیوستگی و حلال های کمکی با نرم کردن سطح اجزا پلیمر، جذب و چسبندگی گروه هیدروفوب را افزایش می دهند.

خواص پوشش

با توجه به هیدروفوب بودن غلظت دهنده های PUR نسبت به غلظت دهنده های هیدروفولیک مثل پلی آکریلات ها و سلولز اترها، جذب آب پوشش کاهش می یابد و مقاومت سایشی رنگ بهبود می یابد(جدول 1) که میزان هیدرو فوب بودن سیستم بستگی به نوع و مقدار اجزاء هیدروفوب دارد(جدول 2)

جدول 1-تأثیر روی مقاومت سایشی

جدول 2- تأثیر روی جذب آب